仿生学在摩擦中的发展研究

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1、仿生学在摩擦中的发展研究摘要通过千百万年的演变，动物和植物已形成了优化的几何结构、智能拓扑材料和多功能表面纹理，以优异的摩擦学特性，成为仿生摩擦学设计模型。本文提出了仿生摩擦学的定义与基础，调查自洁净的固-液界面、动物的脚与固体表面黏附、生物表面磨损特性和仿生设计以及摩擦和固-液界面的仿生设计的地位。对摩擦学仿生学的进一步发展进行讨论。关键词：仿生摩擦学、自洁、粘附、摩擦、生物摩擦学。摩擦学是科学和技术在相对运动中的交互式曲面。运动是各种动物行为（如捕食、逃避和生育）的基础。通过过去35亿年进化和竞争，动物已经形成了优化的几何结构、微妙的材料拓扑、简单和

2、有效的控制模式和多功能的表面纹理。这些结构、材料、曲面和调制方式，使动物的运动比任何人工系统更稳定、灵活、稳健、高效、适应周围环境。例如，猫的运动是高度的和无声的，由于其微妙脚结构，猫的脚掌与目标曲面的高摩擦系数以及它脚掌落在地上的低影响力度，被用于引用在改进驾驶汽车的轮胎的设计。人体关节的摩擦系数可能会低至0.005，这只有软钢之间的2%。当鲨鱼游的时候，非光滑表面纹理的鲨鱼可以有效地减少摩擦阻力，这已激发了游泳布的设计，特定的表面纹理布的摩擦阻力减少了4%一8%。智能抗磨设计中磨损的生物系统的自诊断能力已经得到极大的关注。人类手棕榈科植物对其它表面摩

3、擦接触导致胼采取的抗磨函数。植物也有演变的表面纹理和摩擦学性能优异，如加固框架的竹，和不粘上猪笼草的口缘纹理强度拓扑。这些结构、拓扑结构和优异的摩擦学性能表面纹理已成为现代摩擦学设计模仿的模型。这里的生物摩擦学定义和仿生摩擦学介绍、相关领域在过去几年的主要发展进行回顾，并提出一些关键技术在今后发展。1定义、基础、历史回顾摩擦学是机械科学与应用的跨学科科学的前沿。其基础涉及力学、材料科学、制造科学和机械设计和其研究包括揭示和理解的润湿、粘连、摩擦、磨损的针对其他材料的生物曲面或曲面，包括仿生原则建立和制造系统的发展，以支持各种工作条件的仿生设计的生物物理机

4、制。研究目标正在试图找到解决摩擦问题和磨损在固态、固液和固气接口进行的的线索。摩擦学，通过整合与生命科学的研究领域已扩展和加强了摩擦学的基础。仿生摩擦学是指摩擦学与生命科学和目的在探索和加强摩擦学系统和通过从生物系统学习元素的属性及调查机制的摩擦减少或增加，遵守或抗黏附抗磨损的有机融合与高有效润滑的生物系统。人体生物摩擦学应用理论和技术的摩擦学和人类皮肤进行摩擦副摩擦，例如摩擦、磨损和配对与组织；相互作用的植入式接头人工心脏瓣膜、磨损的牙齿与皮肤摩擦所造成的破坏上的血的遵守。生物材料的主要化学成分是碳、氢、氧、氮等轻元素。数百万年的演变，通过生物是极其保

5、守的化学成分的选择，所以进化的生物系统和生物材料的主要途径是优化的拓扑结构和表面纹理，也就是说，几何的优化。另一方面，人类设计中的最难创作是创新的几何配置，此后是无限的几何配置中的选择。通常情况下，很难发现规律。应当强调仿生摩擦学的以下方面：(1)评价的摩擦学的生物系统和材料；(2)寻找微观几何配置、材料拓扑和生物结构和摩擦学性能优异；（3）材料的表面纹理的发展历史和制造仿生表面图案和构造仿生结构和材料。2重要进展和进一步的发展2.1在流固内表面遵守情况和固体表面自动清洗严格地讲，自洁技术，其特点是对润湿表面纹理的影响和固体液体的做的派，不属于摩擦学的研

6、究领域。我们在这里讨论它，因为与润滑行为密切相关作的派。光合作用是植物成长的关键过程。叶是光合作用，负责的机关，所以保持环境清洁的叶子是最重要的植物。Barthlott和Neinhuis表明水在荷叶上的接触角是蛮大的和其超疏水的行为结果从叶上三维微-纳米复杂表面纹理（图1）。这种疏水表面可以减少在叶子上的水滴的接触面积。当水滴落在叶时，污染物颗粒是湿润和因此坚持到水滴上。当雨放卷叶时、滴带走污染物。叶上液滴的污染物占去。这种现象被称为莲花效应。Neinhuis和Barthlott已衡量了200余种的植物，并表明这些plants'leaves的接触角大于1

7、500年。这些超级自洁性能产生的协同效应的微-到纳米纹理和蜡晶体材料，其理论基于润湿滞后。超过200相关技术一种在德国专利和技术广泛应用于纺织、油漆、玻璃、瓷砖和塑料工业。四肢和树干的一些动物也是疏水性，如很高的水跨越、脚疏水和可以使这种昆虫运行速度非常快的水面上。另一方面，关于97测量各种昆虫翅膀表明有些是疏水和一些亲水。这些疏水翅膀有下雨水或露水的自洁功能。前胸背板的蜣螂水的接触角上的CoprisochusMotschulsky是91一106。非光滑纹理与集成的疏水性使得甲虫在重污染物下有优秀的反关联性。表面的力量，例如毛细管力量，范德华力，是主要阻

8、力在微机电系统，所以疏水表面是很重要的提高性能，减少能源成本和提高可靠性。已知的