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爬壁机器人的关键技术是机器人本体与壁面的可靠吸附，负压吸附由于其环境适应能力强、吸附可靠而得到广泛应用。随着微小型移动机器人应用领域的不断拓展，现已出现这样一种需求，即用能够吸附到垂直或倾斜壁面的微小型爬壁机器人代替人工到对体积要求严格的场所作业。要设计微小型爬壁机器人，首先应实现负压吸附机构的微小型化。由理想气体状态方程，产生负压有两种方法：在吸盘体积不变时可用气泵抽取吸盘内的空气，另外一种是在密封状态下施加外力使吸盘变形产生负压。虽然使用传统的机电式驱动器可以达到上述目的，但其功重比随体积减小急剧下降，新型功能驱动材料的发展则为设计微小型负压吸附机构提供了体积小、功率密度高的新型驱动器。在微流控领域广泛应用着一种功能材料驱动的微泵，可以考虑用能够传输气体的微泵代替传统的机电式气泵，将其集成到微小型吸附机构中来产生负压。另外在自然界中，还有许多生物其吸附器官中并没有具有气泵功能的结构，而仅依靠吸盘变形产生负压自如的吸附或脱离被吸附面，因此还可以模仿生物负压吸附器官结构特点设计微小型仿生吸盘。本文根据上述两种设计思路，在国家自然科学基金项目——基于SMA驱动的微小仿生多腔无源负压吸盘研究(60675052)的资助下，分别设计研究了功能材料驱动的微泵吸盘和微小型仿生吸盘，主要研究内容如下：
(1)提出了功能材料驱动的微小型仿生吸盘应该具备的基本结构，研究了形状记忆合金(SMA)驱动器的驱动性能。研究发现具有活塞式结构的柄状吸盘适合作为仿生对象，根据该生物吸盘的结构特点，微小型仿生吸盘应由空腔、弹性体边缘、刚性支撑体以及人工肌肉组成，并选择输出位移和输出力大的SMA驱动器驱动该吸盘，在Tanaka系列SMA材料本构模型的基础上，建立了SMA驱动器的热动力学模型，实验结果表明，该模型可以有效的预测SMA驱动器的温度和位移响应。对偏动式SMA弹簧驱动器和双程记忆效应(TWSME)弹簧驱动器驱动特性的研究结果表明，它们的输出位移和响应时间与驱动电流以及负载的大小有关。
(2)设计了SMA驱动微小型仿生负压吸盘，并研究了该吸盘的负压响应、吸附特性和控制方法。根据生物柄状吸盘的结构特点，首先分别采用TWSME弹簧驱动器和偏动式驱动器设计了原型l和原型2。并基于SMA驱动器热动力学模型、弹性板变形理论以及理想气体状态方程，建立了原型2的负压响应理论模型，对原型2在不同驱动电流下的负压响应和吸附特性进行了仿真和实验研究。结果表明，原型2能产生稳定的负压并能使负压消失，且负压的大小、响应时间与驱动电流的大小有关，在驱动电流4.75A时，原型2在25s内达到稳态负压14000Pa，当密封条件较好时原型2能稳定的吸附相当于自重7.5倍的垂直负载。由于SMA驱动器响应速度慢，为改善负压响应，可采用差动式驱动器并利用SMA的自传感特性控制加热电流来对负压响应进行快速控制，然后基于duhem模型建立了包括次级迟滞环在内的SMA材料的相变动力学模型和采用快速控制策略后仿生吸盘的负压响应模型。仿真和实验结果表明，采用快速控制策略后仿生吸盘负压响应速度明显改善，采用电阻反馈也能有效的防止SMA弹簧过热并能维持负压。
(3)提出了一种集成无阀微泵的微小型吸盘的设计方法，并对其进行了优化设计。选择圆形单晶片压电驱动器，并使微泵具有单腔双振子结构，采用激光雕刻加工制造了具有迭片式结构的微泵吸盘。以优化微泵空气传输特性为出发点，从压电驱动器静、动态驱动性能以及锥形管的空气整流效率三方面对微泵吸盘进行了优化设计。为优化压电驱动器静态驱动性能，建立了圆形单晶片压电驱动器的理论力学模型，该模型表明压电材料层和弹性薄膜层存在最优的半径比和厚度比使得在相同电压幅值下，压电驱动器体积变化最大；为优化动态驱动特性，在第一类压电方程的基础上，推导了压电驱动器的二端口等效电路模型，基于上述模型，得到使压电驱动器在相同电压幅值下变形最大的一阶固有频率，及其动态体积变化波形，为后续微泵吸盘的仿真打下基础；为优化锥形管设计，对其空气整流原理进行了理论分析，定义了整流效率，通过有限元仿真考察了锥形管几何参数变化对空气整流效率的影响，结果表明存在最优最小截面宽度、扩张角和扩张长度使锥形管空气整流效率最大。
(4)为预测微泵吸盘最佳工作频率，对其负压响应进行仿真研究，建立了微泵和微泵吸盘的流体网络模型。仿真和实验结果表明，本文设计的微泵可以传输空气，微泵吸盘内能迅速产生稳定的负压，而优化锥形管几何参数、使压电驱动器工作在最佳频率、减小振动腔厚度、采用多腔串联等，均可有效的改善微泵净流量和所能克服的最大背压，增大微泵吸盘所能达到的稳态负压。对比仿真与实验结果，验证了微泵吸盘流体网络模型的正确性，发现基于流体网络模型的仿真能有效的预测微泵吸盘的最佳工作频率和负压响应。对微泵吸盘吸附特性的研究发现，由于微泵在不断的抽取吸附腔内的空气，微泵吸盘可以可靠的吸附负载。在驱动电压幅值20V，频率12.SKHz时，锥形管截面尺寸优化后的单腔微泵吸盘可在0.03s内达到稳态负压平均值2.6KPa，并能稳定的吸附相当于自重12倍的垂直负载。
本文的创新性体现在以下三点：(1)研究了SMA驱动的微小型仿生负压吸盘的设计与控制方法；(2)提出一种集成压电无阀微泵的微小型负压吸盘的设计与优化方法；(3)建立了微泵吸盘的流体网络模型，为分析其负压响应、预测最佳工作频率提供了一种方便有效的仿真方法。对比两种微小型吸盘，微泵吸盘体积和重量更小，并能稳定的吸附垂直负载：而SMA驱动微小型仿生负压吸盘则能产生更大的负压且无噪音；与传统负压吸附机构相比，上述两种吸盘不需外接气泵，体积小，重量轻，且能产生稳定负压，并能承担一定重量的垂直负载。