编辑|桦语侃史

真空吸盘是自动化行业中的重要执行元件，在工业和日常生活中广泛使用。
由于真空吸盘的需求量大且应用范围广泛，如何提高其吸附性能满足不同行业的需求是一个重要问题。
本文以鲍鱼腹足为仿生原型，研究了其吸附能力和形态特征，并设计了仿生吸盘来提高真空吸盘的吸附和密封性能。

通过显微镜观察发现鲍鱼腹足表面由纤维组成。
研究了吸附力的基本原理和计算方法，并进行了吸附力试验。

研究发现真空负压力和范德华力是鲍鱼腹足吸附力的主要组成部分。
通过对不同表面形态的玻璃板的吸附力试验，发现表面形态的变化对吸附力有显著影响。

基于鲍鱼腹足的形态特征设计了仿生吸盘，并进行了有限元分析。
实验结果表明仿生吸盘具有较好的吸附和密封性能。
最后通过拍摄实验全过程，分析了吸盘吸附的关键因素。
研究表明仿生吸盘能有效提高吸附性能。

国家在“十三五”规划中明确提出了实施智能制造工程、构建新型制造体系，以促进新一代机器人、海洋工程装备、电力装备、农机装备等产业的发展壮大。
同时，在“中国制造 2025”中也强调要通过深入推进制造业结构调整和持续推进企业技术改造来优化产品结构、提高企业生产技术水平和效益。

近年来，随着人口红利的减少和人工成本的增加，企业越来越希望提高生产设备的自动化水平。
因此，提升制造体系中的设备自动化水平以及智能化水平是至关重要的。
在自动化系统中，真空吸盘组件是常用的执行机构，具有广泛的应用范围、强大的适应能力和高效的工作效率，是工业自动化领域的重要组成部分。

真空吸盘组件在各个领域都有广泛的应用。
一个例子是擦窗机器人，这种机器人越来越多的被公司和家庭使用。
它通过内部真空泵抽出底部空气，形成真空负压力，从而能够牢固地吸附在玻璃表面，实现自动擦窗。
类似的原理也应用在其他类型的机器人，比如用于清洗大型楼体外侧玻璃幕墙的清洗机器人和清扫大型罐体内外壁的爬壁机器人。

这些机器人通过真空吸盘组件能够稳固地附着在垂直的外墙表面，为各种作业活动提供了强大的支持。

真空吸盘是真空吸附装置中的终端执行元件，也是与被吸附物体直接接触的唯一元件。
它对真空吸附装置的附着能力和吸附条件起到至关重要的作用，具体体现了真空吸盘的实际特征。

真空吸盘的广泛应用在工业领域引起了极大的关注，推动了其向多种类和多功能化方向发展。
然而，真空吸盘不仅仅在工业领域有广泛应用，它在民用领域也是人们日常生活中必不可少的物品之一，为人们的生活提供了便利，满足了人们日益多样化的需求。

这些真空吸盘的应用使得人们的生活更加便利和舒适。
它们可以用来悬挂物品、固定物体、吸附产品等，广泛应用于家居、厨房、车辆等各个领域。
无论是在工业还是在民用领域，真空吸盘都发挥着重要的作用，并且随着技术的不断创新和进步，将会有更多新型的真空吸盘出现，进一步满足人们的需求。

从这可知，真空吸盘有广泛的应用和良好的市场前景。
它在工业和民用领域的应用已经改变了人们的生产和生活方式，为社会提供了便利和经济价值。
因此，越来越多的人开始关注并重视真空吸盘。

近年来，随着我国经济发展水平的提高，真空吸盘相关产业也得到了良好的发展态势，并创造出了越来越大的经济价值。

因此，为了满足工业生产和人们的需求，提高整个真空吸盘产业的水平，研究具有强吸附力、良好稳定性、高兼容性和低环境要求的真空吸盘具有重要的实际意义。
这也符合国家“十三五”规划和“中国制造2025”中提高我国智能装备水平的要求。

真空吸盘底面形态研究现状

针对真空吸盘在吸附摩擦系数很小的物体时易发生失效的问题，设计人员进行了相关的研究。
他们提出了一些改进的吸盘底面结构，用以解决吸盘水平方向上吸附力过小的问题。

温州阿尔贝斯气动有限公司设计了一种底面具有花纹状凸起和凹槽的真空吸盘。
这些花纹状凸起和凹槽结构可以显著提高吸盘的防滑性能，有效防止油性或光滑表面的金属板材在搬运过程中发生滑动。

此外，昆明理工大学的赵艳妮设计了一种多唇边式真空吸盘。
这种吸盘的特点是在其底面边缘具有多圈唇边式结构。
这种结构可以有效提高吸盘的密封性能，使吸盘在有砂眼、凸缘等缺陷表面同样能产生良好的吸附效果。

真空吸盘是在工业生产和生活中被广泛使用的终端执行元件。
其主要性能指标是吸附性和密封性能。
为了提高吸盘的吸附性能，本研究使用工程仿生学的思想方法，以具有强大吸附能力的鲍鱼为研究对象。

通过对鲍鱼腹足形态的观察和吸附能力的试验分析，将鲍鱼腹足表面的密封环和条纹凹槽应用于仿生吸盘的设计中。
通过有限元分析软件模拟分析了吸盘吸附时的受力情况，并进行了吸附性和密封性试验。
根据试验结果进行了机理分析。
具体工作和结论如下：

通过显微镜观察了鲍鱼腹足表面的宏观形态，发现腹足表面分为外层、中间层和内层。
内层表面具有大量的条纹形褶皱。
腹足周围有许多小丘，吸附时会收缩挤压形成密封环结构。
通过扫描电子显微镜观察发现腹足表面有许多圆柱形纤维，长度为35μm～45μm，直径约为0.5μm～4μm。

设计并使用3D打印制作了用于拉伸试验的钩子和5种测力板。
分析了鲍鱼在不同测力板上的吸附力，计算了各种力在总吸附力中的比例。
结果表明，真空负压力和范德华作用力是鲍鱼腹足吸盘的主要作用力，液桥力主要用于增强密封作用。
选取具有不同表面形态的玻璃板对鲍鱼腹足进行了拉伸试验，发现形态柔和且角度圆滑的玻璃板上的吸附力最大。

通过高速摄像记录了吸盘吸附到受力被拉起时底面的变化情况。
发现阻止吸盘内收缩滑动和吸盘内腔与外界大气相连通是提高吸附性能的关键。
仿生吸盘底面与吸附面之间具有更大的摩擦力，可以更有效地阻止吸盘内收缩变形。
条纹形凹槽结构可以提供更多空间，减缓吸盘边缘相互挤压的程度，减少吸盘内腔与大气相连通的可能性，从而提高吸附性能。

美国国家航空航天局在1978 年开始研究鲨鱼皮的仿生应用，因为鲨鱼体表鳞片具有沿顺流方向排列的 V 形沟槽结构，能够提高鲨鱼在水中的游动速度。
他们将仿生鲨鱼皮鳞片的凸状物粘贴到飞机机身表面，使阻力减少了6%至8%。
而空客公司在A320型试验机的表面约70%的地方粘贴了具有沟槽结构的薄膜，使得飞机的燃油消耗减少了1%至2%。

另外，西日本公司的设计人员从翠鸟嘴的流线形态得到启发，对高速火车的车头进行重新设计，使车头的直径逐渐增大。
这种子弹型车头在运动中会“推挤”前方的空气，而不是“切穿”空气，从而降低了火车通过狭窄隧道时产生的声爆效应，并且提高了行车速度10%的同时降低了电力消耗15%。

吉林大学工程仿生教育部重点实验室根据蚯蚓体表的微观条纹和通孔等表面非光滑结构，研制了仿生非光滑活塞。
这种活塞具有储油和储存磨削等功能，可以显著提高活塞的耐磨性。

该实验室还根据步甲胸节背板表面的凹凸非光滑形态，设计了仿生凹坑形磨辊，经磨损及破碎试验可以得知，仿生磨辊的耐磨性提高了29.06%，破碎性提高了18.7%，表明仿生磨辊具有良好的耐磨性和工作性能。

英国 Brinker 的工程师们通过仿生学思想开发了一种管道修复技术，该技术利用仿生微粒模拟血管中的血小板作用。
当管道出现裂缝时，流体的压力会使微粒聚集在裂缝处，以阻止裂缝继续扩大并产生泄漏的可能。
该技术在油田中的原油集输管道上得到应用，提高了管道的安全性。

此外，通过仿生学原理，设计并加工了仿生非光滑结构的膨胀锥来降低油田开采中膨胀管与膨胀锥之间的摩擦力并减轻磨损，使膨胀压力降低了约15%。

中国科学技术大学的王兵等人利用猫头鹰静音飞行特性，对其翅膀结构进行了仿生模拟，并将这种翅膀结构应用到小型四旋翼无人机的机翼上。
通过试验可以得知，仿猫头鹰翼型的无人机机翼相对于原形机翼在提高机翼升力和降低阻力方面具有一定的效果。

贝壳珍珠层的结构是由排列成层的片状文石相互交错组成的，每个文石之间填充有有机质。
这种复合结构显著提高了贝壳材料的韧性和硬度。

Studart研究小组使用柔性生物高聚糖与高强度陶瓷板相互交错成层，制备出具有优异力学性能的仿生贝壳材料。
研究人员根据这一结构制作的芳伦纤维增强树脂，其断裂功比单相提高了80倍。

贻贝通过分泌粘性线状物质（足丝）在海底岩石或其他物体表面固定自身，这种足丝具有很强的固着能力。

美国加州大学圣塔芭芭拉分校的研究发现，贻贝足丝中含有左旋多巴，也被称为贻贝粘着蛋白，这种物质赋予贻贝足丝强大的固着能力。

根据贻贝足丝的特性，研究人员开发了具有良好固着能力的贻贝胶水，其中含有大量左旋多巴的化合物，即使在潮湿环境中仍具有强大的粘着力。

当人体骨骼损伤时，自动修复功能通过蚀骨细胞和成骨细胞重建骨骼。
蚀骨细胞通过腐蚀骨头，在死亡的骨头上形成通道，成骨细胞通过这些通道将骨细胞输送到受损部位进行修复。

英国布里斯托大学的研究人员根据骨骼自动修复原理开发了一种材料自修复仿生技术，通过管道将修复材料输送到相关损伤区域进行修复。
统计数据显示，经过这种仿生技术修复后的材料抗压强度可以达到原始材料的97%。

以上几个例子充分展示了工程仿生学在解决实际问题上的应用。
经过几十年的发展，工程仿生学已经从基础理论研究上升到应用解决实际问题的高度，相比传统方法，显示出更高的有效性，凸显出工程仿生学的优越性。

工程仿生学为解决实际问题提供了一种新的思路。
为了提高真空吸盘的吸附性能，需要首先对生物吸附性能进行相关研究，以充分利用生物优良的吸附特性来提高吸盘的吸附性能。

结论