壁虎可以在垂直墙面甚至天花板上自由爬行,他们和未知粗糙表面接触时,能产生牢固的粘附并轻易的脱附,这些特性在MEMS器件可拆卸安装和固定、爬壁机器人等领域有着极为广阔的应用前景。壁虎脚毛的分级层次结构,特别是其微米级刚毛/纳米级绒毛的高深宽比微纳层次结构,是保证壁虎脚毛既产生巨大粘附力又适应不同表面形貌的关键。为此本学位论文开展对壁虎脚毛精细分层结构各参数的优化设计。主要工作如下:建立微尺度接触的力学模型,解释了壁虎脚毛粘附机理;为了更接近实际情况,考虑表面粗糙度对粘附力的影响,建立了单根绒毛与粗糙表面接触模型,以及单层、双层以及三层粘附阵列与粗糙表面接触模型;进行接触全过程的粘附情况仿真,分析并总结了表面粗糙度、预载荷和结构刚度等因素对粘附能力的影响。分析壁虎脚毛的各种粘附特性,以及环境适应性要求,提出了强的粘附力、防纠结、防自断裂、快速脱附、较好的粗糙表面适应性等若干设计准则;采用自下而上的设计思想,建立了相应的力学模型;分析并总结约束模型中各参数变化对纤维半径、纤维长度、阵列占空比、阵列对称性、粘附力以及粘附功等参数的影响。综合考虑上述各约束条件,进行多目标多参数寻优求解,得到仿壁虎脚毛粘附结构的层次性几何特征(分形维数)、阵列几何特征(阵列密度、阵列对称性)以及单根接触几何特征(接触半径、深宽比、倾斜角)等设计参数。设计结果表明,优化设计得到的第一级结构的纤维半径、长度均在壁虎脚绒毛测量值范围内,第二级结构的纤维半径、长度也在壁虎脚刚毛测量值范围内,且具有更好的粘附能力。