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  仿生干粘附結(jié)構(gòu)依賴于與界面間的范德華力作用，可對(duì)不同材料和表面產(chǎn)生強(qiáng)大的粘附能力，已在運(yùn)輸機(jī)械臂、攀爬機(jī)器人、生物貼片等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。盡管在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料探索等方面取得了重大進(jìn)展，但仿生干粘附材料的適應(yīng)性和穩(wěn)定性仍面臨很大挑戰(zhàn)。首先，在復(fù)雜非平整表面實(shí)現(xiàn)共形接觸非常困難，尤其是一些具有極端形貌特征的物體(界面顆粒、輪廓突變的零件等)。接觸不良引起的應(yīng)力集中，很容易導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，削弱粘附性能。此外，如何避免機(jī)器人操作中常見的振動(dòng)效應(yīng)對(duì)粘附狀態(tài)的影響仍是具有挑戰(zhàn)性的，這決定了抓取和運(yùn)輸操作的穩(wěn)定性和安全性。因?yàn)榧词故禽p微的振動(dòng)，也會(huì)使某一區(qū)域的接觸狀態(tài)極度不穩(wěn)定，造成裂紋迅速發(fā)生并蔓延的風(fēng)險(xiǎn)。因此，提高對(duì)不規(guī)則表面的適應(yīng)性，同時(shí)保持穩(wěn)定的抗振動(dòng)能力是推動(dòng)仿生干粘附結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用的關(guān)鍵支撐。

從“微尺度模擬”到“多尺度仿生”

圖1 多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

多孔形態(tài)與物理切割耦合作用下的粘附機(jī)制

  多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)對(duì)于典型的非平整表面展現(xiàn)出良好的粘附性能。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)具有不同曲率的內(nèi)凹面和外凸面，多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)的粘附結(jié)構(gòu)最大可提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖2所示。更重要的是，這種提升僅在多孔形態(tài)和物理切割相互耦合時(shí)才可以達(dá)到，單純進(jìn)行物理切割或具備多孔特征的粘附結(jié)構(gòu)提升效果并不明顯。數(shù)值模擬進(jìn)一步證實(shí)了這種耦合作用機(jī)制是來源于孔隙特征導(dǎo)致的低彈性模量和物理切割引起的裂紋俘獲效應(yīng)，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到切口處會(huì)被迫重啟，而低模量擴(kuò)大了接觸面積使得更多的物理切口參與其中，大大抑制了裂紋的擴(kuò)展，提升了界面的粘附，如圖3所示。此外，孔隙的存在使得整個(gè)界面的應(yīng)力分布呈正弦分布，有效降低了應(yīng)力集中，也對(duì)粘附過程起到了積極的作用。得益于此，多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)對(duì)界面誤差的補(bǔ)償作用效果顯著，無論是角度誤差還是臺(tái)階誤差，相比傳統(tǒng)的粘附結(jié)構(gòu)都實(shí)現(xiàn)數(shù)量級(jí)的提升，如圖4所示。 

圖2 多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)的粘附特性 

圖3 多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)的粘附增強(qiáng)機(jī)制 

圖4 多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)的誤差補(bǔ)償作用

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

  通過探索離散化程度、切口深度、頂層厚度等工藝參數(shù)對(duì)粘附性能的影響，該研究建立了多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，更高的離散化程度和更深的切口深度可以帶來更好的粘附效果，如圖5所示。有趣的是，頂層厚度與粘附性能之間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是類似于正態(tài)分布，這可以歸因于頂層薄膜的力學(xué)性能和界面粘結(jié)狀態(tài)之間的權(quán)衡。頂層厚度過大，會(huì)增加抗彎剛度，降低界面的適應(yīng)性。然而，當(dāng)頂層厚度過小時(shí)又會(huì)削弱薄膜與襯底之間的結(jié)合強(qiáng)度，依然不利于高強(qiáng)度粘附。由于襯底層內(nèi)部的纖維直徑約為100 μm，因此略大于此值的頂層厚度設(shè)計(jì)不僅可以滿足結(jié)合強(qiáng)度的要求，且可以實(shí)現(xiàn)彎曲剛度和柔韌性的最佳組合。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)不同的孔隙率會(huì)影響多孔襯底的拉壓模量，從而改變粘附性能�？紫堵试礁�，拉壓模量的比值越大，相應(yīng)的粘附性能也更加突出。 

圖5 多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

高適應(yīng)性高穩(wěn)定性抓取展示

  基于優(yōu)異的適應(yīng)性和裂紋抑制作用，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)機(jī)器人操作中的幾個(gè)特殊場(chǎng)景對(duì)多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。首先是面向顆粒表面的適應(yīng)性抓取，如圖6所示。作為一種典型的極端表面，傳統(tǒng)的粘附結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)共形接觸。而多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)可以輕松的完成抓取，顆粒被擠壓在某些離散單元的底部，并不影響剩余的離散單元與界面保持有效接觸，極大拓寬了粘附結(jié)構(gòu)在諸如多塵等特殊環(huán)境下的應(yīng)用范圍。此外，研究團(tuán)隊(duì)還自行搭建了振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)的抗振特性進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖7所示。傳統(tǒng)的粘附結(jié)構(gòu)在振動(dòng)環(huán)境下的粘附狀態(tài)僅能維持幾秒，而多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)可以保持長(zhǎng)達(dá)一分半鐘。這是由于當(dāng)系統(tǒng)受到振動(dòng)干擾時(shí)，孔隙可以起到緩沖作用，吸收部分振動(dòng)引起的能量累積。此外，物理切口的存在減弱了每個(gè)粘附單元之間產(chǎn)生的擠壓和摩擦等機(jī)械相互作用，從而保證了整個(gè)接觸區(qū)域的粘附穩(wěn)定性。這種抗振動(dòng)能力的顯著提高有利于提升粘附結(jié)構(gòu)在目標(biāo)物體操作中的穩(wěn)定性和安全性。 

圖6多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)顆粒抓取展示

 圖7多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)抗振效果展示

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202302512