一种具有仿生表面的刮水器刮片单元、刮片及刮雨器

本发明涉及仿生材料，具体涉及一种具有仿生表面的刮水器刮片单元、刮片及刮雨器。

背景技术：

1、自然界中，许多生物有优异的黏附能力，比如壁虎能够在垂直的墙壁上甚至是倒挂在天花板上爬行，树蛙能够在潮湿的环境中各种角度的表面上黏附等等。其中，树蛙等动物依赖于其脚掌上的平滑结构进行自由活动，平滑结构并非是连续光滑的表面，其微观形态是由多边形柱状阵列组成的图案化表面，并且这些微柱之间由通道隔开。以litoriacaerulea树蛙为例，脚趾由垂直排列的柱状结构上皮细胞构成，六边形上皮细胞占据了整体的55％，其他的细胞分别为是四边形、五边形和七边形六边形的边长大约为10μm，上皮细胞的高度分别约为5-10μm，上皮细胞之间被约1μm宽的沟槽隔开，并且沟槽是互相连通的。由于树蛙大多生活在湿态环境中，在它们的脚趾和表面之间一般会存在液体，这个沟槽的作用一是液体流动的通道，有利于接触面内的液体排出，二是沟槽与黏液腺体相连，是黏液分泌的通道，起到黏附增强的作用。

2、以树蛙为原型的仿生研究表明，规则的平滑结构以及能够排出液体的沟槽是实现出色黏附性能的关键，仿生六边形微柱阵列能够在快速排除液体后与目标表面形成高强的有效接触，在毛细力、粘滞力和范德华力等作用下实现强黏附。

3、市场上现有的雨刮器产品普遍存在玻璃水的覆盖能力不足以及严重浪费问题。在雨刮器的单次摆动过程中，往往会在打开进程内便刮除了所有的玻璃水，导致返程过程摩擦力增大，产生严重的噪音、造成设备损伤和清洗不彻底等问题。同时，传统玻璃水的喷嘴都设置在前挡风的下边缘或上边缘，液体喷射范围呈扇形，无法覆盖或润湿整块挡风玻璃，造成刮擦清洁困难和玻璃水的浪费，大大降低了工作效果与效率，产生环保问题。

4、此外，现有的刮水器刮片功能单一且清洁能力不足，受极端天气影响使用寿命较短需要频繁更换，工作过程中易受污染，因此结合仿生材料技术对雨刮器进行重新设计升级，开发出一种拥有高效清洁能力，使用寿命长，能够自清洁的新型智能刮水器很有必要。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于针对上述现有产品存在的不足，提供一种具有仿生表面的刮水器刮片单元、刮片及刮雨器，它能够实现变档高效清洁，保证较长的使用寿命并且能够实现自清洁功能。

2、为实现以上目的，本发明采用了以下方案：

3、第一方面，本发明提供一种具有仿生表面的刮水器刮片单元，包括：

4、基片；

5、六棱柱微结构单元，间隔设置并阵列于基片上；以及，

6、出液口，设置于基片上与阵列同侧和/或异侧的表面，连通到基片内部设置的用于供给清洗液的通道。

7、进一步，所述六棱柱微结构单元为扁平六棱柱，尺寸为毫米级。

8、更进一步，所述六棱柱微结构单元为正扁平六棱柱，尺寸范围为微米级至毫米级。

9、进一步，所述出液口包括外出液口和内出液口，其中外出液口用于向行进方向前侧喷射清洗液，外出液口用于在非运动状态和运动状态下均能渗出清洗液。

10、更进一步，所述外出液口向被清洁表面喷出的扇形液面角度是10-170°之间任意一种或多种的组合。

11、更进一步，所述外出液口设置于基片近运动方向的一侧，内出液口设置于六棱柱微结构单元之间的间隙或基片边缘。

12、进一步，所述基片和六棱柱微结构单元的材料选自天然橡胶或合成橡胶的一种或两种的组合。

13、更进一步，所述基片和六棱柱微结构单元的材料选自疏水天然橡胶或合成橡胶的一种或两种的组合。

14、进一步，所述六棱柱微结构单元为实心结构、多孔结构、空心结构、具有杨氏模量梯度的结构的一种或多种的组合；六棱柱微结构单元的顶面为平面或有凹坑、凸起等结构表面的任意一种或多种的组合。优选的，具有杨氏模量梯度的结构为沿着高度方向的杨氏模量具有梯度性质的结构。

15、进一步，所述六棱柱微结构单元的中轴线与基片的夹角为30-90°。

16、进一步，所述六棱柱微结构单元的阵列方式包括四方、六方、斜方、定制图案或无规则排列中任意一种或多种的组合。

17、第二方面，本发明提供一种具有仿生表面的刮水器刮片，由第一方面所述的具有仿生表面的刮水器刮片单元依次连接形成的刮片。

18、第三方面，本发明提供一种具有仿生表面的刮水器，包括第二方面所述的刮水器刮片、支架、传感器和控制单元；

19、所述刮水器刮片安装于支架上；

20、所述传感器为温度传感器，用于监测环境温度并反馈给所述控制单元，控制所述出液口在高温情况下喷出清洗液；

21、所述控制单元用于控制所述刮片进行往返运动并根据运动方向控制出液口喷射清洗液，也能接受所述传感器的信号并进行相应指令输出。

22、本发明的有益效果如下：

23、本发明所提供的一种具有仿生表面的刮水器刮片，其仿生六边形微柱结构灵感来源于树蛙脚趾上的平滑黏附垫，通过仿生结构表面设计，提高所述刮片与玻璃表面的有效接触程度，取得更高效的除尘能力，达成更优的清洁效果。由于所述刮片的构成材料橡胶具有疏水性，被清洁玻璃具有亲水性，清洗液能够在界面之间充当润滑层便于刮片的运动，同时由于所述沟槽的存在，对清洗液具有良好的导流作用能够快速排走清洁过污秽的液体，提升了雨刮器的清洁能力。

24、本发明的刮片上具有多个清洗液出液口，所述刮片的外出液口能够实现按需向运动方向前侧喷射一定量清洗液，在冲洗玻璃表面浮尘的同时还能保证用最少量的清洗液全覆盖待清洁区域，提升清洁效果且节约环保；随后在刮片的作用下擦去顽固污秽完成高效深度清洁作业。所述刮片的内出液口能够按需渗出少量清洗液减少刮片在玻璃表面运动的阻力，减少刮擦过程中对刮片产生的不必要损伤；在高温环境下也能通过内出液口分泌清洗液进行润湿以及蒸发散热，降低刮片的温度延缓老化提高使用寿命；此外，得益于刮片的疏水性，渗出的清洗液可以轻松除去刮片表面沉积的污秽实现自清洁功能。

技术特征：

1.一种具有仿生表面的刮水器刮片单元，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的具有仿生表面的刮水器刮片单元，其特征在于，所述六棱柱微结构单元为扁平六棱柱，尺寸为微米级至毫米级。

3.根据权利要求1所述的具有仿生表面的刮水器刮片单元，其特征在于，所述出液口包括外出液口和内出液口，其中外出液口用于向行进方向前侧喷射清洗液，外出液口用于在非运动状态和运动状态下均能渗出清洗液。

4.根据权利要求3所述的具有仿生表面的刮水器刮片单元，其特征在于，所述外出液口设置于基片近运动方向的一侧，内出液口设置于六棱柱微结构单元之间的间隙或基片边缘。

5.根据权利要求1所述的具有仿生表面的刮水器刮片单元，其特征在于，所述基片和六棱柱微结构单元的材料选自天然橡胶或合成橡胶的一种或两种的组合。

6.根据权利要求1所述的具有仿生表面的刮水器刮片单元，其特征在于，所述六棱柱微结构单元为实心结构、多孔结构、空心结构、具有杨氏模量梯度的结构的一种或多种的组合；六棱柱微结构单元的顶面为平面或有凹坑、凸起等结构表面的任意一种或多种的组合。

7.根据权利要求1所述的具有仿生表面的刮水器刮片单元，其特征在于，所述六棱柱微结构单元的中轴线与基片的夹角为30-90°。

8.根据权利要求1所述的具有仿生表面的刮水器刮片单元，其特征在于，所述六棱柱微结构单元的阵列方式包括四方、六方、斜方、定制图案或无规则排列中任意一种或多种的组合。

9.一种具有仿生表面的刮水器刮片，其特征在于：由权利要求1-8任一项所述的具有仿生表面的刮水器刮片单元依次连接形成的刮片。

10.一种具有仿生表面的刮水器，其特征在于：包括权利要求9所述的刮水器刮片、支架、传感器和控制单元；

技术总结
本发明涉及一种具有仿生表面的刮水器刮片单元、刮片及刮雨器，包括刮片、出液口、传感器和控制单元。刮水器刮片底部，即与被清洁表面接触的底面上排布有六边形柱状结构阵列，阵列中设置有供清洗液渗出的出液口，在刮片侧面上也设置有能够向运动前进方向上喷射清洗液的出液口。此外，基于温度传感器监测环境温度，能够在高温情况下使刮片底部出液口渗出适量的清洗液对刮片进行物理降温延缓老化。本发明可实现精准定向定量的自清洁功能，可有效降低清洗液消耗和延缓刮片老化，节约能源并提高清洁效果，相比传统刮水器刮片，更加高效节能环保。

技术研发人员：薛龙建,肖康健,史哲坤,朱博
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15