陈康 沈煜年

(南京理工大学理学院力学与科学工程系, 南京 210094)

1 引 言

作为一种具有网状结构的高分子聚合物材料[1], 软体机器人用水凝胶在工程领域中存在着大量应用[2,3].软体机器人设计中的一些智能结构常需要利用水凝胶的摩擦接触[4]来实现一定的功能.例如: 水凝胶手指结构抓取小球[5]、软体机器人行走[6]、水凝胶仿生臂关节的接触[7]等.然而, 软体机器人用水凝胶材料质地柔软[8,9], 富含水分[10], 发生接触行为时, 接触区的变形较大.同时外部形态的变化会影响内部水溶液的状态, 使水凝胶的力学性能发生显著改变, 进而反作用于接触状态, 导致摩擦接触行为异常复杂[11,12].接触响应不仅会影响软体机器人的操作精度, 而且直接关系到执行任务的成败, 甚至会导致软体结构的失效[13,14].

软体机器人用水凝胶材料发生接触行为时, 接触区域通常会发生局部大变形, 导致基于线弹性和小变形的经典Hertz接触理论的计算结果可能会产生较大误差.Frey等[15]使用显微压痕方法测量水凝胶杨氏模量, 用显微镜测量微球体正向压入水凝胶的压痕深度, 并通过经典Hertz接触理论推导杨氏模量.若将变形量控制在小变形范围内, 忽略表面摩擦, 一定程度上可避免经典Hertz接触理论的局限性.对于水凝胶接触大变形问题, Long等[16]利用ABAQUS有限元软件结合neo-Hookean模型, 数值模拟了水凝胶正向压痕实验, 并对经典Hertz接触理论进行了修正, 得到了适用于特定条件下的简单经验公式.但对……