不同应力应变状态下弹性软体的摩擦特性

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中图分类号：TP242.3；TH 1 17 doi：10.3969/j.isn.1000 565X.2013.07.005随着微机电系统(MEMS)技术的蓬勃发展，微型机器人在生物医学、化工、军事、航天等狭小以及危险领域中的应用前景越来越广阔，成为国内外学者的研究热点 4j.目前，微型机器人的试验样机及商业化产品的种类和数量在不断增加 J.医用微型机器人作为微机电系统的-个类别，发展迅猛，进入人体肠道的主动式机器人已可在技术上实现.该机器人可以携带活体取样、成像系统和喷药装置等多种装置完成任务 。

弹性软体的摩擦特性对医用微型机器人的研究至关重要.摩擦特性与运动控制密切相关 ，研究者只有深入地了解肠道的摩擦特性，才能有效地驱动主动式机器人 .此外，对微型机器人在生物管道中的摩擦行为进行研究可以保障使用者的生命安全。

迄今 为止，有关于弹性软体应力应变特性 的研究 ]，也有关于生物摩擦性能的研究 ' 。 ，但将两者结合起来进行分析尚未见报道.鉴于此，文中重点探索弹性软体在动态作用力下的摩擦特性变化规律，以提高微型机器人在狭姓间以及危险环境下的安全性与可靠性。

1 摩擦试验通过测量摩擦头法向载荷和摩擦力的大小，可得弹生软体表面摩擦系数，即Amontons基本摩擦定律 ：F/zN (1)式中：F为摩擦力； 为摩擦系数；N为摩擦头施加的法向载荷，由作用力与反作用力原理可知，其大小与弹性软体表面受到的法向载荷相等.通过体外实验，可以得到不同参数下弹性软体的基本摩擦特性。

1.1 径向应变摩擦试验1.1.1 样品的制备首先解剖活体兔子，取小肠(或十二指肠、空肠)，用生理盐水灌洗干净后放入培养液备用.其中，培养液由生理盐水加入少量的青霉素得到.然后分别截取5段长度为20mm的小肠(或十二指肠、空收稿日期 ：2012.11-23基金项目：国家自然科学基金资助项目(61163042)作者简介：陈奕钪(1989-)，男 ，博士生，主要从事微型机器人系统、生物机械工程和微流体分配技术研究.E-mail：chenyi-kang### mail.iee.ac.cn28 华 南 理 工 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 第 41卷O3O0 28O.26籁 O24o.22嚣o.200.18O.16O 14O 12籁辎懈O·min-130252O1510l0 2O 30 40 50应变/%(a)滑动速度变化时应变/%(b)法向载荷变化时图4 不同滑动速度和法向载荷下的小肠平均摩擦系数Fig.4 Average friction coeficients at diferent silding velo-cities and normal loads在法向载荷变化试验中，由于20%应变夹具体锈化严重，故用 60%应变的替代.观察图4不难看出，小肠平均摩擦系数随着应变的增大有类周期性变化趋势，可见，平均摩擦系数是随着应变的增加而变大的。

2.1.2 摩擦对偶件为硅橡胶模具与 PMMA小球的试验结果分析不同法向载荷下十二指肠、空肠的平均摩擦系数分别见图5(a)、5(b)。

O.120.1O籁0l08街o 060.040 1O 2O 3O 40 5O应变/%(a)十二指肠O 1O籁 O 08辎酱蜜 O.060.040 10 2O 30 40 50应变/%(b)空肠图5 不同法向载荷下十二指肠、空肠的平均摩擦系数Fig.5 Average friction coeficients of duodenum and jeju-Bum at different normal loads更换模具与摩擦头的材料后，平均摩擦系数有了明显的下降.在0.54N法向载荷下，空肠摩擦系数总体上有随着应变的增大而线性上升的趋势。

2.2 轴向应变摩擦试验结果与分析不同法向载荷下十二指肠的平均摩擦系数见图 6。

籁断曩0.14O.12籁0l10露0.O8O O6应变/%(a)兔子A0.0 8.3 16.6 24.9 33.2 41.5应变/%(b)兔子B图6 不同法向载荷下十二指肠的平均摩擦系数Fig.6 Average friction coeficients of duodenum at diferentn0flna10ads第 7期 陈奕钪 ：不同应力应变状态下弹性软体的摩擦特性不同法向载荷下空肠的平均摩擦系数见图7。

在对兔子 B的空肠进行摩擦试验时，将初始长度设为 32.5 mm，则同样的变形长度下，应变不同，这样便可以获得更多不同应变时的摩擦系数。

籁辎酱霉O.0 83 16.6 24.9 33.2 41.5应变/%(a)兔子A应变/%(b)兔子B图 7 不同法向载荷下空肠的平均摩擦系数Fig.7 Average friction coeficients of jjunnm at diferentnormal loads不同法向载荷下回肠的平均摩擦系数见图8。

在测量法向载荷 0.69 N、应变 33.2%条件下的摩擦系数时，由于摩擦头的往复运动中有部分与聚四氟乙烯垫板直接接触，所以在后面的数据处理中忽略该点.比较兔子 A与兔子 B小肠的 3个部分的平均摩擦系数曲线，可以看出兔子 B摩擦系数的变化较为平稳，兔子A的平均摩擦系数普遍比兔子B的高。

3 弹性软体摩擦机理分析将摩擦试验中所得的法向载荷为0.9-0.69N时径向应变下的平均摩擦系数分别取平均值，得到不同法向载荷时小肠在径向应变状态下的平均摩擦系数变化趋势，如图9所示。

由图9可以看出，径向应变状态下，随着法向载荷的增大，平均摩擦系数存在增加 的趋势，但在0.54N时存在突变.在进行径向拉伸应变摩擦试验籁辎掰彝1肇髓零1应变/qo(a)兔子A(b)兔子B图 8 不同法向载荷下回肠的平均摩擦系数Fig，8 Average friction coeficients of ileum at differentnormal loads籁垛 搿霹图 9 不同法向载荷时小肠处于径 向应变状态下的平均摩擦系数变化趋势Fig.9 Changing tendency of the average friction coefficientsof small intestine at different normal loads in thepresence of radial strain时，由于轴向没有固定，小肠试样会产生轴向的收缩应变，这样会使肠壁随着径向应变的增加而变厚，肠壁上的环形皱襞间距变短.在肠壁较厚时，随着法向载荷的增大，摩擦头将愈加陷入肠壁，在摩擦过程中将肠壁挤出肉眼可见的褶皱，引起部分相对滑移，同时摩擦头的移动过程还要克服变形肠壁所产生的恢魄O O 0 O 籁 辎避霜华 南 理 工 大 学 学 报 (自然 科 学 版) 第41卷复力，从而使摩擦系数增大。

将摩擦试验中所得的法向载荷为0.49～0.69 N时的轴向应变下的平均摩擦系数分别取平均值，得到不同法向载荷时小肠处于轴向应变状态下的平均摩擦系数变化趋势，如图 10所示。

辎衢霹1斗肠A肠B图 10 不同法向载荷时小肠处于轴向应变状态下的平均摩擦系数变化趋势Fig.10 Changing tendency of the average friction coefi-cients of smal intestine at diferent normal loads inthe presence of axial strain由图 10可以看出，轴向应变状态下，随着法向载荷的增大，平均摩擦系数呈减小的趋势.在进行轴向拉伸应变摩擦试验时，小肠试样两端采用螺钉夹紧垫片固定，基本固定了小肠的径向应变，这样肠壁随着轴向拉伸而变薄，肠壁上的环形皱襞间距变长。

在肠壁较薄时，随着法向载荷的增大，会把肠壁压得更平，滑移现象减少，从而使摩擦系数减小。

由图 10还可知，兔子 A的平均摩擦系数普遍比兔子 B的高.Kwon等 。。曾进行过微棒状表面结构仿生材料与弹性软体摩擦系数的研究，结果表明，带有微棒状表面结构的材料的摩擦系数是光滑面材料的 1.5～3.2倍.小肠表面的绒毛微结构与微棒状表面结构相近，摩擦机理具有相似性.推测兔子 B肠壁表面的绒毛结构在试样清洗后保留较少，兔子 A的绒毛结构保留较好.在同样的样品清洗制备过程中，由于生物个体的差异性，可能得到不同表面状况的小肠试样。

径向应变情况下，法向载荷为 0.54N时是-个特殊点，目前推测该现象是由环形皱襞的微观形貌导致的，具体是如何影响的还有待进行仿生设计时做进-步研究。

4 结语文中探索了不同应力应变下弹性软体的摩擦特性变化规律.发现以45钢模具与45钢小球为对偶件时，小肠摩擦系数随着径向应变的增大有类周期性变化趋势，表现为随着径向应变的增大而变大；而以柔性材料硅橡模具与 PMMA小球为对偶件的试验表明，径向应变时，随着法向载荷的增大，摩擦系数呈增加趋势；以聚四氟乙烯模具与聚四氟乙烯小球为对偶件的摩擦试验表明，随着法向载荷的增大，摩擦系数呈现减小趋势.在小肠摩擦系数的测定过程中，还可以考虑温度、气压等其他参数，更好地模拟生物活体环境，建立更加全面的模型用于描述小肠摩擦特性.另外，可在粘弹性的仿生材料上加工出与小肠肠壁类似的微观形貌，进行仿生设计，再对人造小肠表面进行摩擦性能测试，进而验证模型中得到的规律。