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西安交大邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)《Sci. Adv.》：開發(fā)出傳感觸發(fā)變剛度智能粘附結(jié)構(gòu)
2023-03-25  來源：高分子科技

  壁虎能夠在豎直墻壁以及天花板表面靈活自由的爬行或長時間靜止不動，對于接觸表面表現(xiàn)出強(qiáng)大且可逆的粘附能力。以其腳掌末端結(jié)構(gòu)為研究對象，科研人員已經(jīng)能仿制出類似的干粘附結(jié)構(gòu)，并在特種機(jī)器人、智能機(jī)械手、醫(yī)療工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的應(yīng)用潛力。盡管近二十年來干粘附仿生結(jié)構(gòu)取得了諸多研究進(jìn)展，但人造結(jié)構(gòu)與生物活體組織在表面適應(yīng)性和粘脫快速切換方面仍存在顯著差距。開發(fā)具有優(yōu)異表面適應(yīng)性及其快速粘脫切換能力的干粘附結(jié)構(gòu)是其工程應(yīng)用的挑戰(zhàn)性難題。


從“單一功能”到“系統(tǒng)集成”


  近日，西安交通大學(xué)邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)提出了一種基于傳感觸發(fā)的變剛度智能粘附結(jié)構(gòu)，不同于傳統(tǒng)研究僅關(guān)注結(jié)構(gòu)形態(tài)的仿生策略，該研究結(jié)合了生物體肌肉組織和傳感神經(jīng)的耦合功能，即基于界面接觸狀態(tài)的實(shí)時感知，通過磁流變效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對粘附結(jié)構(gòu)剛度的主動調(diào)控，達(dá)到非平整表面自適應(yīng)附著及其粘附/脫附快速切換的目的。當(dāng)粘附結(jié)構(gòu)接近目標(biāo)表面時，結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整為軟狀態(tài)（移除磁場），以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)表面的共形接觸；在拾取目標(biāo)物體時切換到硬狀態(tài)（施加磁場），以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)表面的高強(qiáng)度附著；在釋放物體時再次恢復(fù)到軟狀態(tài)（移除磁場），以實(shí)現(xiàn)脫附行為，如圖1所示。智能粘附結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)變形和形狀鎖定能力，使其能夠在甚少考慮表面形態(tài)或紋理的情況下對各類表面進(jìn)行操作，已成功實(shí)水杯、高爾夫球、西紅柿等日常生活常見非平整表面物體的拾取與釋放。此外，歸結(jié)于磁場的快速切換特性，智能粘附結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時間可達(dá)毫秒級別（約100 ms），類比于哺乳動物骨骼肌的響應(yīng)特性，突破了粘附結(jié)構(gòu)在高節(jié)拍操作應(yīng)用中的技術(shù)瓶頸。相關(guān)研究成果以“Sensing-triggered stiffness-tunable smart adhesives”為題發(fā)表《Science Advances》上，西安交通大學(xué)王鐸睿博士為論文第一作者。


圖1 基于磁流變效應(yīng)的傳感觸發(fā)變剛度粘附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路


剛度調(diào)控下的非平整表面粘附增強(qiáng)機(jī)制


  智能粘附結(jié)構(gòu)通過實(shí)時剛度調(diào)控，實(shí)現(xiàn)接觸過程軟狀態(tài)和脫離過程硬狀態(tài)的控制，達(dá)到目標(biāo)表面的保形接觸和形狀鎖定。相比傳統(tǒng)單一剛度粘附結(jié)構(gòu)，變剛度智能粘附結(jié)構(gòu)對于曲面乃至非平整表面的粘附性能提升一個數(shù)量級，如圖2所示。有趣的是，智能粘附結(jié)構(gòu)由于在脫離過程中切換到硬狀態(tài)，導(dǎo)致在整個拉拔過程中保持穩(wěn)定的“U”形接觸。不同于傳統(tǒng)硬質(zhì)粘附結(jié)構(gòu)的點(diǎn)接觸以及軟質(zhì)粘附結(jié)構(gòu)的“N”形接觸，這種恒定的“U”形接觸提供了相對較大的接觸面積、較小的剝離角以及切向摩擦作用，有利于提高粘附性能。此外，研究團(tuán)隊(duì)建立了基于cohesive單元的力學(xué)模型，探究了剛度調(diào)控下仿生結(jié)構(gòu)在非平整表面的粘附增強(qiáng)機(jī)制，如圖3所示。在接觸和拉拔過程中，智能粘附結(jié)構(gòu)更為勻化的界面應(yīng)力分布是其粘附增強(qiáng)的關(guān)鍵；同時，智能粘附結(jié)構(gòu)界面在拉拔過程中所受到的法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力均處于較低水平，對界面剝離會產(chǎn)生有效的抑制作用。 


圖2 智能粘附結(jié)構(gòu)的粘附特性


圖3 智能粘附結(jié)構(gòu)的粘附增強(qiáng)機(jī)制


傳感觸發(fā)工作機(jī)理


  在粘附過程中，界面接觸狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測對于剛度調(diào)控尤為重要，其決定了粘附結(jié)構(gòu)何時變硬、何時變軟，達(dá)到穩(wěn)定高效抓取的目的。受蜘蛛感知系統(tǒng)的啟發(fā)（基于納米裂紋結(jié)構(gòu)的斷開-重連效應(yīng)），研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于碳納米管的聚氨酯網(wǎng)絡(luò)-磁流變材料的復(fù)合形式力學(xué)傳感器，用于接觸界面力學(xué)信號的監(jiān)測，如圖4所示。在外力作用下，復(fù)合結(jié)構(gòu)中的碳納米管涂層會產(chǎn)生裂紋，從而影響電阻的變化。更重要的是，涂層中裂紋的數(shù)量和密度可以通過對復(fù)合結(jié)構(gòu)施加不同的預(yù)拉伸來實(shí)現(xiàn)調(diào)控，以此完成傳感器靈敏度的優(yōu)化制造。該傳感器在面向不同輪廓目標(biāo)（平面或曲面）和不同載荷形式（壓縮載荷或拉伸載荷）時，均表現(xiàn)出良好的靈敏度和線性度，滿足了智能粘附結(jié)構(gòu)在拾取復(fù)雜形狀物體時的界面感知要求，提供了一種僅通過記錄電阻變化來監(jiān)測粘附過程的創(chuàng)新途徑。 


圖4 智能粘附結(jié)構(gòu)的傳感性能


智能粘附操縱展示


  智能粘附結(jié)構(gòu)能夠通過剛度調(diào)控產(chǎn)生具有顯著差異的高/低附著力。為此，研究團(tuán)隊(duì)將一體化智能粘附結(jié)構(gòu)集成到機(jī)械臂末端，成功實(shí)現(xiàn)了對非平整表面物體的抓取、轉(zhuǎn)移和釋放操作，如圖5所示。在操作過程中，無論是接觸階段、轉(zhuǎn)運(yùn)階段還是釋放階段都可以觀察到具有顯著特征的電阻信號。更重要的是，由于磁流變脂對外部磁場的快速響應(yīng)能力，智能粘附結(jié)構(gòu)的粘附切換時間低至100 ms，達(dá)到了哺乳動物骨骼肌的收縮/擴(kuò)張水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)基于光控、熱控等粘附切換方法的響應(yīng)時間，滿足了機(jī)器人快節(jié)奏應(yīng)用場景的需求。此外，基于磁場調(diào)控的粘附切換策略具有更為簡單的結(jié)構(gòu)配置，相比氣動控制方法不再需要額外的流體通道設(shè)計(jì)以滿足取放系統(tǒng)的壓力供給需求。 


圖5變剛度智能粘附結(jié)構(gòu)的物體操縱展示


小結(jié)


  邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)長期致力于微納結(jié)構(gòu)界面仿生粘附相關(guān)研究，已經(jīng)在界面粘附機(jī)制、仿生粘附結(jié)構(gòu)制備、智能機(jī)器人開發(fā)等領(lǐng)域做出諸多創(chuàng)新性工作。與傳統(tǒng)被動式粘附結(jié)構(gòu)不同，本研究提出的新一代干粘附結(jié)構(gòu)，具有典型的智能化主動式粘附特征，更接近于真實(shí)的自然界生物體，具有優(yōu)異的目標(biāo)表面適應(yīng)性以及粘附/脫附快速轉(zhuǎn)化性。更重要的是，肌肉組織和傳感神經(jīng)的耦合仿生功能結(jié)構(gòu)不局限于匹配壁虎仿生干粘附結(jié)構(gòu)，可拓展至章魚、樹蛙等濕粘附結(jié)構(gòu)，為仿生粘附領(lǐng)域提供一種通用策略，有助于推動夾持、操縱和攀爬等系列化智能機(jī)器人的發(fā)展。


  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf4051

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