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  使用抓手對物體進(jìn)行抓取和操縱是生活、生產(chǎn)和科研中的一項(xiàng)基本任務(wù)。自然界中，動(dòng)物有靈活的爪子，人類有靈巧的雙手，可以非常輕松地完成這樣的任務(wù)，但對機(jī)械系統(tǒng)來說卻是一大挑戰(zhàn)，因?yàn)闄C(jī)械抓手要處理的物體尺寸跨度大、形狀差異大、數(shù)量規(guī)模大：從幾十英寸的顯示屏，到幾十微米的電子元器件，這些物體橫跨宏觀(>1 mm)、介觀(100 μm—1 mm)到微觀(<100 μm)尺寸；從玻璃片、小鋼珠，再到鑰匙串，這些物體的形狀多種多樣；從流水線上分揀的單個(gè)物體，到柔性電子器件制備和Micro-LED顯示屏組裝中成千上萬的元件，這些物體的數(shù)量規(guī)模變化不一，甚至還常常要求先一次性抓取大量元件，再選擇性地釋放部分元件^[1]。

  一種很自然的設(shè)計(jì)是使用多指機(jī)械抓手，就像人和動(dòng)物一樣。以往的研究展示了多指抓手用于操縱不同形狀物體的優(yōu)勢^[2]。然而，這種主動(dòng)控制的多指抓手機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還需要集成大量的傳感器、驅(qū)動(dòng)器^[3]。同時(shí)，多指機(jī)械抓手的控制也異常復(fù)雜：首先需要傳感器采集力學(xué)/視覺信號，在此基礎(chǔ)上依靠中央處理器和復(fù)雜的算法^[4]來確定抓手抓取某個(gè)物體的方案(比如說手指要張多開，對物體要施加多大的力，力要施加在什么地方等)。此外，多指機(jī)械抓手無法處理薄而脆的物體^[2]。當(dāng)物體小到微觀尺寸時(shí)，多指機(jī)械抓手結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜，很難加工和控制。

  另外一種方法是使用吸盤，依靠負(fù)壓來抓取物體^[5]。吸盤式抓手非常適合于幾何形狀規(guī)則、表面光滑的物體，如玻璃、硅片等。但是對于幾何形狀不規(guī)則、表面粗糙或者是小尺寸的物體，吸盤的密封又是一個(gè)很大的問題。

  自然界中，壁虎等動(dòng)物可以非常牢固地粘附在物體表面，同時(shí)又能很容易地脫開。受此啟發(fā)，研究者們提出了依靠可控范德瓦爾斯力的干粘附抓手^[6，7]。在宏觀尺寸下，干粘附抓手非常適合于平面物體的抓取。但將其用于三維物體時(shí)，卻存在一個(gè)內(nèi)在的矛盾：一方面，抓手要足夠軟，以適應(yīng)物體的表面形狀，增加抓手與物體的接觸面積，增強(qiáng)粘附作用來增大抓取力；另一方面，抓手又要足夠硬，以抵御界面脫粘，承受物體的重量。在微觀尺寸下，干粘附抓手被成功用于平面物體的組裝，特別是用于柔性電子中功能元件的組裝^[7—9]。但對于非平面結(jié)構(gòu)的元件，由于接觸面積不可控，粘附變得不穩(wěn)定，這種方法不再適用。此外，當(dāng)元件變得更小時(shí)，粘附作用太強(qiáng)，會(huì)阻礙元件的釋放。

  近期他們提出了一種使用形狀記憶聚合物(shape memory polymer，SMP)智能塑料作為抓手的全新萬能抓手策略^[10]，如圖1所示。該抓手結(jié)構(gòu)非常簡單，就是一塊形狀記憶聚合物塊體。可以把它做成不同的大小，用來處理不同尺寸、任意形狀、不同數(shù)量規(guī)模的物體(圖2)。

  智能塑料形狀記憶聚合物，在外部光/熱刺激下會(huì)變軟，可自由變形，此時(shí)可以輕松地將物體嵌入其中。之后撤去外部刺激，形狀記憶聚合物就會(huì)變回剛硬狀態(tài)，一直保持住該變形的臨時(shí)形狀，將物體鎖住，這樣就可以把物體抓取起來移動(dòng)到目的地。當(dāng)再次對形狀記憶聚合物施加外部刺激，形狀記憶聚合物就會(huì)恢復(fù)它最初的形狀，從而將物體釋放出來。

圖2 使用形狀記憶聚合物萬能抓手操縱10 μm到1 m尺寸、任意形狀的物體^[10]

  為了展示該方案的可行性，他們使用一種環(huán)氧基的形狀記憶聚合物^[11](環(huán)氧單體 E44，固化劑 Jeffamine D230，質(zhì)量比為 81∶46)來制備抓手。該形狀記憶聚合物在低于45℃時(shí)處于剛硬狀態(tài)，高于45℃時(shí)處于柔軟狀態(tài)。實(shí)際使用時(shí)，加熱溫度和加熱時(shí)間取決于抓手的尺寸與加熱的方式。比如用于宏觀物體抓取的形狀記憶聚合物抓手(60 mm×60 mm×5 mm)，使用120℃的熱板加熱到柔軟狀態(tài)需要30 s。而用于微觀顆粒操縱的抓手(直徑320 μm，高度450 μm)，只要用熱風(fēng)槍在120℃下加熱不到1s即可。

  該抓手能在平面物體表面產(chǎn)生很大的粘附強(qiáng)度。在光滑玻璃(表面粗糙度為 Ra=0.019 μm)上，其粘附強(qiáng)度為 113.9 kPa，和壁虎 100 kPa 的粘附強(qiáng)度可比。即使在粗糙的磨砂玻璃(表面粗糙度 Ra=2.2 μm)上，其粘附強(qiáng)度依然高達(dá) 81.7 kPa。如圖2所示，他們使用該萬能抓手抓取了一塊 0.3 m×0.4 m 的粗糙玻璃。

  該抓手能在三維物體上產(chǎn)生很大的抓取力。一塊 55 mm×55 mm×15 mm 的形狀記憶聚合物能在一個(gè)外徑 10 mm，內(nèi)徑 8 mm 的鐵管上產(chǎn)生 171.7 N 的抓取力，是抓手自身重量的330倍，高于最近報(bào)道的一個(gè)“魔力球”結(jié)構(gòu)輕巧抓手的120倍^[12]。圖2中展示了使用該抓手抓取重量為 4.16kg 的實(shí)驗(yàn)平臺。此外，該抓手結(jié)構(gòu)簡單，可以非常方便地縮放到不同大小來抓取 10 μm 到 1 m 尺寸之間任意形狀、不同數(shù)量的物體，如鑰匙、螺釘、鋼球陣列、螺母陣列、棗核陣列等宏觀物體，7×7 的 1 mm 鋼球陣列，10×10的 500 μm/300 μm 介觀鋼球陣列，以及操縱 75 μm 大小的不規(guī)則鐵顆粒和 10 μm 直徑的二氧化硅球。

  當(dāng)物體小到微觀尺寸( 100 μm 左右或者更小)時(shí)，物體受到的表面力(特別是與抓手的粘附作用)強(qiáng)，會(huì)給物體的釋放帶來較大的挑戰(zhàn)。對于三維結(jié)構(gòu)的物體(如圖2 中所示的 75 μm 不規(guī)則鐵顆粒和 10 μm 直徑的二氧化硅球)，釋放后與抓手的接觸面積小，粘附的影響較小，依然可以順利脫粘。但一些平面的物體(如Micro-LED芯片)，釋放后與抓手接觸面積大，粘附作用很強(qiáng)，難以實(shí)現(xiàn)釋放。

  他們提出的萬能抓手策略，依靠嵌入鎖住的方式抓取物體，不用依靠粘附。因此，當(dāng)粘附阻礙微觀物體釋放時(shí)，就可以通過表面化學(xué)處理或者是增加表面粗糙度的方式來減弱粘附作用的影響，從而保證微觀物體的順利釋放。為了展示該應(yīng)用，他們制備了表面粗糙的形狀記憶聚合物萬能抓手來進(jìn)行Micro-LED芯片的組裝(圖3)。他們將形狀記憶聚合物表面變粗糙(圖3(a))后，其表面粘附顯著降低而抓取力基本不受影響(圖3(b))，從而保證LED芯片抓取和釋放的可靠性。使用激光局部加熱釋放 LED 芯片(圖3(c)—(e))，就能按照需要，選擇性地釋放和組裝LED芯片(圖3(f)，(g))。

  這種萬能抓手策略能大幅度簡化抓手的結(jié)構(gòu)與控制，可以非常容易地縮放抓手的大小以處理不同尺寸、任意形狀、不同數(shù)量規(guī)模的物體。特別是在微觀情況下，依靠嵌入抓取的方式，擺脫了粘附對微觀物體釋放的限制，為微觀元件的大規(guī)模組裝提供了新思路。未來還需要在抓手響應(yīng)速度和對物體材料的適應(yīng)性方面開展進(jìn)一步的研究。

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  原文鏈接：http://www.wuli.ac.cn/CN/abstract/abstract75997.shtml