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南航姬科舉課題組 Small：壓力誘導(dǎo)的可控仿生黏脫附技術(shù)
2023-09-21  來源：高分子科技

  “強(qiáng)黏附、易脫附”是仿生黏附技術(shù)在工程應(yīng)用中的基本力學(xué)需求，特別是黏脫附切換的便捷性、經(jīng)濟(jì)性與可靠性，直接影響著界面操控自動化的實現(xiàn)程度。壁虎、蒼蠅、蜘蛛等生物依靠足底剛毛結(jié)構(gòu)的角度控制，擁有了攀巖走壁的全空間運(yùn)動能力，近年來國內(nèi)外學(xué)者借以熱、光、電、磁以及類壁虎角度等方式實現(xiàn)了仿生黏附-脫附控制，甚至展現(xiàn)出了足以媲美生物黏脫附控制的能力，為仿生黏附技術(shù)的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。


  為了進(jìn)一步提升仿生黏附技術(shù)的應(yīng)用便捷性與經(jīng)濟(jì)性，南京航空航天大學(xué)姬科舉課題組提出了一種壓力誘導(dǎo)的可控黏附-脫附技術(shù)，通過仿生黏附結(jié)構(gòu)的微觀設(shè)計，可以僅僅依賴法向壓力控制，實現(xiàn)界面的黏附與脫附，極大地簡化了界面操控實現(xiàn)的路徑和方式。 


圖1 仿生黏附材料的作用機(jī)理


  論文介紹了一種由背襯層、中間層與底層組成的多層級仿生黏附材料，其特征是具有傾斜陣列的三明治夾層結(jié)構(gòu)。當(dāng)仿生黏附材料承受較低的壓力時，中間層的四邊形陣列發(fā)生小變形，底層薄膜與接觸面間的接觸未被干涉，界面接觸良好，實現(xiàn)黏附。當(dāng)黏附材料承受的法向壓力超過一定的閾值時，中間層的四邊形棱柱陣列發(fā)生大變形，并帶動底層薄膜發(fā)生屈曲，此時底層與基底之間的良好接觸狀態(tài)被破壞，實現(xiàn)脫附。通過控制法向壓力，黏附材料能夠?qū)崿F(xiàn)從“低預(yù)壓黏附”到“高預(yù)壓黏附”的切換。 


圖2 仿生黏附材料的制備及其黏附性能


  仿生黏附材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其在壓力誘導(dǎo)下的黏附-脫附行為具有關(guān)鍵影響。通過量化傾斜陣列角度、間隔、厚度等參數(shù)，可以獲得預(yù)壓力與黏附力之間的誘導(dǎo)關(guān)系，為預(yù)壓力誘導(dǎo)的黏脫附行為提供了基礎(chǔ)。 


圖3 仿生黏附材料在低壓力和高壓力下的界面接觸與自身微結(jié)構(gòu)變形過程

  仿生黏附材料在低壓力和高壓力的作用下的變形過程顯示：低壓力下，黏附材料的底面與接觸面始終保持良好的接觸；在高壓力下，黏附材料中間層發(fā)生大變形導(dǎo)致了底面的屈曲，且在力卸載的過程中，彈性體應(yīng)變的遲滯造成仿生黏附材料底面與基底的接觸并沒有恢復(fù)如初，進(jìn)而完成界面的脫附行為。 


圖4 仿生黏附材料的力學(xué)影響因素與使役特性分析


  通過優(yōu)化仿生黏附材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以在不同的預(yù)壓力和拉脫速度下獲得較高的開關(guān)比（最大136倍的黏附力差異空間），且具有較短的切換時間（≤3 s）。此外，仿生黏附材料平面的末端在易清潔和可重復(fù)等方面也表現(xiàn)出了較好的特性。 


圖5 多層級黏附材料的實際搬運(yùn)應(yīng)用及綜合性能評價


  相關(guān)研究成果以“Preload-Induced Switchable Adhesion”為題發(fā)表在國際知名一區(qū)期刊Small（DOI:10.1002/smll.202305091）上。論文第一作者為南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生涂沖文，論文通訊作者為姬科舉副研究員，南京航空航天大學(xué)為第一完成單位。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（52075249）、江蘇省仿生功能材料重點實驗室基金等項目的資助。


  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202305091

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