运动是动物捕食、逃逸、生殖、繁衍等行为的基础。壁虎、蜘蛛、昆虫等快的运动速度、强的负载能力、高度的灵敏性,使它们成为运动学研究的理想模型。生物学家们从比较生物学的角度深入研究壁虎、蜘蛛、昆虫等动物的爬行基本规律,工程师们则从动物运动中获得设计灵感,进一步提高特种仿生机器人(特别是爬壁机器人)和其他复杂系统的性能。研究壁虎、蜘蛛、昆虫等动物在各种表面(地面、壁面、天花板)上运动时脚掌与接触表面的作用力,可以为生物学家和工程师们研究动物时的粘附机制提供有价值的线索。本文主要研究内容如下:1.研制了两种量程的3维力传感器用于测量壁虎、蜘蛛、昆虫等动物运动时脚掌与接触表面作用力。对传感器弹性体进行优化设计,按照设计要求对传感器弹性体加工贴应变片。研制了传感器的信号调理和放大电路,编制信号采集与数据处理程序。对两种量程的力传感器进行标定。2.研制了昆虫运动力学测试系统。由16个用于测量昆虫脚掌接触力的传感器组成的4×4传感器阵列,通过限位保护装置防止传感器在安装和实验过程中的过载失效。采用NI公司的SCXI应变调理模块和相应的采集模块组成48通道的信号放大与数据调理电路。编制了基于LabVIEW环境的数据采集与分析软件。配合动态图像的同步采集,运动力学测试系统可以测量分析动物运动过程中各个脚掌之间的力学协调规律。设计了由多个用于壁虎脚掌接触力测试的3维力传感器组成的测力阵列。3.测定了壁虎在水平地面和垂直壁面爬行过程中脚掌与表面的接触力,观察了壁虎的形态特征与运动行为,结果表明壁虎在垂直壁面爬行过程中的切向力是法向力的2倍以上,为类壁虎机器人脚掌力反馈的设计提供理论依据。4.分析了黄斑蝽的腿部运动。测定了黄斑蝽在地面和垂直壁面两种状态下的爬行时的接触力,分析了力的产生机理。在垂直壁面状态下,昆虫向上爬行时将身体向上推进的同时,会产生防止身体倾覆的吸附力。5.对斑衣蜡蝉的生物学形态进行了观察研究。发现斑衣蜡蝉通过中垫实现在光滑壁面上的附着。测量了斑衣蜡蝉在切向和法向两种状态下的抓附力以及在切向和法向两种状态下抓附时中垫与接触面的接触面积,分析了接触面积和力的关系。提出了斑衣蜡蝉运动时的粘附-脱附模型。6.测定了水黾在自由运动状态下向前的滑行力(0.3 - 0.4 mN/cm)。比较了实际测量值和几何计算值之间的误差,分析了误差产生的原因。比较了同种的雄性和雌性的水黾以及不同种的水黾的滑行力的大小。