1、壁虎等動物的微納分級粘附系統(tǒng)為具有仿生粘附結構的干粘附材料的研發(fā)提供了仿生學原型。這種仿生粘附材料在爬壁機器人，微操縱，微納轉印工藝，生物醫(yī)學膠帶等領域具有廣泛的應用前景。生物和仿生粘附力學，仿生粘附結構的加工方法和測試技術的研究可為高性能仿生粘附材料的研發(fā)奠定理論和技術基礎，并已成為國內外的研究熱點。然而對實際可應用的具有方向性粘附特性的仿生粘附結構的分析和優(yōu)化設計工作亟待深入探索。
　　 本文以揭示典型仿生粘附結構的方向性粘

2、附機理為目標，系統(tǒng)研究了幾種典型仿生粘附結構在剛性平面的粘附問題，進而探討了粘附結構在正弦表面和粗糙表面上的方向性粘附規(guī)律，分析了粘附結構陣列的優(yōu)化設計問題，并探索了仿生粘附結構的飛秒激光雙光子加工方法和基于原子力顯微鏡(AFM)平臺的方向性粘附特性的測試技術。
　　 在粘附力學分析方面，首先基于不可拉伸歐拉彈性桿理論和表面能概念，利用變分法和數(shù)學分析推導出不可拉伸直纖維結構在剛性平面上粘附的側面接觸模型(ISCM，Inexte

3、nsible Side Contact Model)。這一模型可用于預測這種粘附結構的脫附模式和粘附規(guī)律。研究結果表明，增加剪切力，纖維傾角和纖維的彎曲柔性都能夠有效地增加法向拔出力。而且利用能量最小化原理證明所有粘附平衡狀態(tài)都是穩(wěn)定的。
　　 其次，通過將軸向變形能計入系統(tǒng)的能量泛函，將ISCM模型推廣到可拉伸直纖維結構的情況，建立了可拉伸側面接觸模型(ESCM，Extensible Side ContactModel)。而且

4、對ESCM模型作簡單的修正，可將它用于分析纖維粘附部分的預張力對粘附行為的影響。研究結果表明:由于纖維的可拉伸變形，當施加最優(yōu)的剪切力時纖維存在最大法向拔出力，且在彎曲剛度不變的情況下，最大法向拔出力隨軸向剛度的增大而增強。而對預應力效應的研究表明:施加一個最優(yōu)的預張力能夠使最大法向拔出力極大化。
　　 接著，還將ESCM模型推廣到兩級纖維結構在剛性平面上粘附的情況。結果表明，對于典型的兩級纖維結構，存在一個依賴于結構參數(shù)的臨界

5、剪切力。當剪切力低于這個臨界值時，彎曲變形起主導作用，粘附力隨著剪切力幾乎線性地增加，且可以通過改變纖維的結構參數(shù)來調控其粘附規(guī)律;而當剪切力超過這個值，軸向變形起主導作用，且粘附規(guī)律與經(jīng)典的Kendall模型所預測的結果一致。從定性的角度看，模型所預測的粘附規(guī)律與文獻報道的對生物和仿生多級粘附結構的實驗結果比較一致。
　　 最后，也將側面接觸模型推廣到直纖維在剛性曲面，尤其是正弦表面上粘附的情況。研究表明:當纖維在正弦表面上粘

6、附時，存在最有利的位置使法向拔出力最大化。當沿著纖維的傾斜方向施加適度的剪切力時，纖維在曲面上的法向拔出力會隨著剪切力的增加而增強（即所謂的“方向性粘附特性”）;而當剪切力超過臨界值時，纖維會沿著表面滑移，這有利于實現(xiàn)纖維與表面之間的位置匹配，從而能在一定程度上增強纖維的粘附力?；谶@些研究和進一步的分析，可對壁虎腳掌在不同粗糙表面上粘附時所表現(xiàn)出的粗糙度尺度效應進行定性地解釋。
　　 在粘附纖維結構陣列的優(yōu)化設計方面，基于推導

7、出來的單根粘附結構的粘附規(guī)律，分別對單級和兩級纖維結構陣列的優(yōu)化設計問題進行了系統(tǒng)的研究。對于每一種纖維結構陣列，定義了纖維陣列的結構參數(shù)，推導了相鄰纖維不發(fā)生聚集的條件（抗聚集條件）和纖維陣列的粗糙表面適應性條件，進而對優(yōu)化問題進行了深入的分析和討論。由此獲得的知識和優(yōu)化方法能夠幫助仿生纖維陣列的優(yōu)化設計。
　　 在實驗研究方面，用飛秒激光雙光子聚合加工技術加工了仿生粘附結構及其陣列，并提出了將端頭帶微柱子的微懸臂梁集成到AF

8、M的兩軸力測試平臺上，對單根仿生粘附結構的方向性粘附特性進行測試的方法，還通過結構設計和微加工工藝初步研制出這種特殊的微懸臂梁。
　　 基于以上研究，本論文在以下方面做出了創(chuàng)新:1）為不可拉伸和可拉伸直纖維結構在剛性平面上粘附問題建立了不可拉伸側面接觸模型(ISCM)和可拉伸側面接觸模型(ESCM)。這些模型可直接用于預測相應粘附結構在剛性平面上的脫附模式和方向性粘附規(guī)律。2）將側面接觸模型推廣到兩級直纖維結構在剛性平面上粘附和