南京航空航天大學姬科舉副研究員/戴振東教授團隊受蝗蟲、蟈蟈等昆蟲在傾斜甚至倒立樹枝上穩(wěn)定爬行機制的啟發(fā)，基于其足墊所具有的圓弧狀表面和內(nèi)部樹枝狀結構，開發(fā)出一種仿生梯度化曲率光滑墊結構。該結構在保有多界面適應性的同時，成功通過振動調(diào)控實現(xiàn)了黏附/摩擦性能的亞秒級黏脫切換。相關研究成果以“Ultrafast Adhesion/Friction Bidirectionally Switchable Control by Vibration”為題，發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊，為機器人靈巧操作、精密設備制造等領域中長期存在的“強附著”與“快釋放”難以兼容的難題提供了一種創(chuàng)新解決方案。
研究團隊采用摩方精密的面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術（nanoArch? S140 Pro，精度：10 μm），制備了四種參數(shù)（曲率半徑、接觸層厚、支撐層直徑和梯度化程度）可調(diào)的系列樣品。實驗結果顯示，該材料在測試中表現(xiàn)出穩(wěn)定的黏附與摩擦性能：黏附強度超過60.0 kPa，摩擦強度高于130.0 kPa，并在200次連續(xù)循環(huán)測試后仍保持90 %以上的性能穩(wěn)定性。此外，該材料在≥ 3°斜面、≥ Ra 0.8 μm的粗糙表面等條件下保持穩(wěn)定的性能，并可耐受400 Hz/60 μm的振動工況及-60~160 ℃范圍內(nèi)的溫變環(huán)境（圖1,2）。
圖1. 仿生光滑墊的設計與振動調(diào)節(jié)黏附/摩擦機制示意圖。
圖2. 四種關鍵結構參數(shù)對其黏附/摩擦性能的影響。
圖3. 不同結構在靜態(tài)/振動粗糙基底上的黏附與摩擦性能對比。
進一步研究表明，仿生曲率梯度化光滑墊結構在振動測試條件下呈現(xiàn)雙模態(tài)響應和振動耐受等特征。在50 Hz/100 μm振動條件下其黏附性能由靜態(tài)時的1.371 ± 0.004 N提升至3.711 ± 0.037 N，增幅達270.68 %（模態(tài)I）；而200 Hz/100 μm振動條件下，黏附力可降至0.079 ± 0.050 N，降幅為497.58 %（模態(tài)II）。其黏附的轉(zhuǎn)換開關比和轉(zhuǎn)換效率分別為46.79和97.86 %。值得注意的是，梯度化設計使材料在400 Hz/60 μm振動環(huán)境下仍能保持70%以上的摩擦性能（圖3）。
機理分析方面，該結構內(nèi)部沿軸向梯度排布的磁性粒子形成了“頂柔底剛”的模量梯度結構，有效實現(xiàn)界面應力的均勻分布，既增強了有效黏附功，又降低了界面應變能。振動測試中的力與位移測試曲線和時溫等效原理測得的頻率與儲存模量/損耗模量等數(shù)據(jù)分析表明，低頻振動通過彈性主導增強附著（模式Ⅰ），而高頻振動則通過黏性耗散減弱附著（模式Ⅱ），從而能實現(xiàn)小于30毫秒的黏脫附狀態(tài)切換，其響應速度與壁虎處于同一量級。
在測試平臺上實現(xiàn)金屬、有機玻璃和晶圓等材料的無損黏脫附驗證后，研究團隊進一步開發(fā)出總重低于280克、成本低于50元人民幣的手持式操作模塊，成功實現(xiàn)了偏心基底的無損搬運。便攜式模塊同樣可集成于機械臂末端，滿足高精度、大面積的作業(yè)需求。
總結：該研究提出的“梯度分布-振動誘導”協(xié)同策略，成功實現(xiàn)了在傾斜、粗糙、振動與變溫環(huán)境下黏附/摩擦性能的穩(wěn)定附著與快速、可逆的切換，提供了結構黏附/摩擦材料從被動結構優(yōu)化到主動動態(tài)調(diào)控的轉(zhuǎn)變，為發(fā)展適用于動態(tài)環(huán)境的“智能”末端執(zhí)行器提供了新的思路。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202516421
