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  皮膚是動(dòng)物感知外界的重要窗口。仿生電子皮膚能讓機(jī)器人感受外界的溫度、濕度、壓力等信息，為機(jī)器人領(lǐng)域帶來(lái)了全新的機(jī)遇。事實(shí)上，皮膚包含了內(nèi)部的皮膚組織和表面皮膚附屬器兩部分。皮膚組織中布滿了各種物理和化學(xué)的傳感器，是以往電子皮膚主要模仿的對(duì)象。然而，現(xiàn)有電子皮膚往往忽視了皮膚附屬器的作用。皮膚附屬器，比如鱗片、毛發(fā)、指甲等，承擔(dān)了各種特異化的功能，對(duì)于動(dòng)物的捕食和運(yùn)動(dòng)等都非常重要。其中一類皮膚附屬器主要承擔(dān)粘附調(diào)控功能，比如壁虎樹(shù)蛙的粘附纖毛，章魚(yú)的吸盤等。

圖1.具備感知功能的皮膚組織和具有粘附功能的皮膚附屬器例子

  以往有工作試圖把智能粘附集成到電子皮膚系統(tǒng)中。然而，在傳統(tǒng)的粘附設(shè)計(jì)中，最強(qiáng)粘附和最弱粘附相互耦合：當(dāng)最強(qiáng)粘附增加的時(shí)候，其最弱粘附也隨之增加。因此，同一種粘附設(shè)計(jì)沒(méi)法同時(shí)用于需要強(qiáng)粘附和避免粘附的場(chǎng)景。

圖2. 智能粘附的最強(qiáng)和最弱粘附統(tǒng)計(jì)。（A）拉開(kāi)模式下的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。（B）剪切模式下的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

  機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境多種多樣。在有些場(chǎng)景下，需要粘附作用來(lái)協(xié)助，比如用于大型、重型和脆弱物體的操縱。沒(méi)有粘附的情況下，機(jī)器人很難依靠摩擦力或者機(jī)械夾取方式來(lái)抓取比機(jī)械手大很多的物體。然而，有了強(qiáng)粘附的協(xié)助，抓取各種大小的物體都不再是問(wèn)題。相反，在另外一些場(chǎng)景下，粘附卻需要盡量避免：比如用于表面形貌檢測(cè)時(shí)，粘附作用會(huì)在測(cè)量中導(dǎo)致噪音，影響測(cè)量精度；用于非常輕巧的物體抓取時(shí)，殘余粘附會(huì)把物體粘住，無(wú)法順利釋放。

  由于智能粘附中的強(qiáng)弱粘附耦合問(wèn)題，智能粘附在電子皮膚中的集成和應(yīng)用一直受到限制。

  針對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，新加坡南洋理工大學(xué)校長(zhǎng)講席教授夏焜（新加坡南洋理工大學(xué)前副校長(zhǎng)）、清華大學(xué)講席教授高華健院士（清華大學(xué)力學(xué)與工程交叉院院長(zhǎng)）、新加坡南洋理工大學(xué)王一凡教授和湖南湘潭大學(xué)王秀鋒教授近日在Science Advances上發(fā)表文章，利用形狀記憶聚合物相變過(guò)程中的模量調(diào)控效應(yīng)、形狀鎖存效應(yīng)和形狀記憶效應(yīng)，提出了按需粘附和按需脫粘的粘附電子皮膚設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了最強(qiáng)和最弱粘附的解耦，達(dá)到了kPa級(jí)到MPa的粘附調(diào)控范圍。

  該設(shè)計(jì)方法利用形狀記憶聚合物(SMP)等相變材料中的橡膠態(tài)到玻璃態(tài)(R2G)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的模量變化，來(lái)控制電子皮膚的粘附狀態(tài)。當(dāng)SMP處于玻璃態(tài)時(shí)模量高，無(wú)法與物體表面形成良好接觸，故而粘附很弱，可以用于避免粘附的場(chǎng)景。當(dāng)SMP處于橡膠態(tài)時(shí)非常柔軟，能與物體表面形成良好接觸。接觸后轉(zhuǎn)變到玻璃態(tài)，接觸變形由于形狀鎖存效應(yīng)被凍結(jié)，從而會(huì)提供很強(qiáng)的R2G 粘附。當(dāng)再次被加熱到橡膠態(tài)后，凍結(jié)的接觸在SMP的形狀記憶效應(yīng)驅(qū)動(dòng)下被釋放，導(dǎo)致粘附減弱。橡膠態(tài)下接觸之后形成的可控強(qiáng)粘附可以用于需要粘附的場(chǎng)景。

  為了驗(yàn)證這一概念，該工作集成了壓力傳感器、柔性加熱器和類似樹(shù)蛙粘附纖毛結(jié)構(gòu)的SMP粘附結(jié)構(gòu)，制備了多功能機(jī)器人粘附皮膚并集成到機(jī)械手上。作者在文中展示了配備電子皮膚的機(jī)械手在各種場(chǎng)景下的應(yīng)用實(shí)例：無(wú)粘附狀態(tài)下，SMP粘附皮膚不影響機(jī)械手進(jìn)行表面紋理檢測(cè)，相比之下，用硅橡膠做成的粘附皮膚則會(huì)導(dǎo)致粘滑現(xiàn)象，給測(cè)量造成噪音；當(dāng)用于輕巧物體抓取操作時(shí)，比如機(jī)械手抓取毛巾來(lái)擦拭盤子，玻璃態(tài)下粘附皮膚不影響毛巾的抓取和釋放，相比之下，橡膠態(tài)下粘附皮膚則會(huì)粘住毛巾，怎么也甩不掉。在粘附狀態(tài)下，SMP粘附皮膚能讓機(jī)械手輕松完成不同尺寸、大小和重量的物體的抓放操作。

  這項(xiàng)研究通過(guò)解耦強(qiáng)弱粘附力，解決了傳統(tǒng)智能粘附技術(shù)在不同環(huán)境下無(wú)法兼顧避免粘附和利用粘附的難題，同時(shí)顯著擴(kuò)展了電子皮膚系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，為機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的靈活操作提供了新思路。通過(guò)這種方法，智能粘附技術(shù)能夠更好地集成到電子皮膚中，不僅提升了機(jī)器人與環(huán)境的交互能力，還為未來(lái)智能機(jī)器人的多場(chǎng)景應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

Fig. 1. Design and operation of SMP robotic adhesive skins.

(A) Schematic comparison between the proposed SMP adhesive skin and conventional adhesive designs. In conventional adhesives designs (left), the maximum adhesion strength is proportional to the minimum strength, characterized by large constants of proportionality in both pull and shear modes (middle). This limitation means that strong adhesives and easy detachment cannot be achieved with the same adhesive. In contrast, the proposed SMP adhesive skin features maximum and minimum adhesion strengths that are independent of each other, with very small constants of proportionality (middle). This enables a wide tunability in adhesion, allowing the adhesive skin to function effectively in scenarios where adhesion is either required or to be avoided, thereby greatly enhancing robotic interactions (right). (B) SMP adhesive skins integrated onto a robotic hand (left) to enhance its capabilities to interact with the environment. The robotic adhesive skin patches (right) are featured by arrays of hexagonal SMP adhesive fibrils on the surface and then embedded flexible heaters and pressure sensors connected by SMP adhesive interlayers. (C) Principle of on-demand attachment and detachment of a single SMP adhesive fibril on the adhesive skin. ① Minimal adhesion when contacting in the glassy phase. ② On-demand attachment when contact is established in the rubbery phase. ③ Strong DMT-like R2G adhesion after cooling into the glassy phase. ④ Switch-off of adhesion by heating up back into the rubbery phase where the SMP fibrils are detached in a JKR-like state.

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[3]Changhong Linghu, Yangchengyi Liu, Yee Yuan Tan, Jun Heng Marcus Sing, Yuxuan Tang, Aiwu Zhou, Xiufeng Wang, Dong Li, Huajian Gao*, K Jimmy Hsia*. Overcoming the adhesion paradox and switchability conflict on rough surfaces with shape-memory polymers, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023, 120(13): e2221049120.

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  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt4765