南京航空航天大學(xué)姬科舉副研究員/戴振東教授團(tuán)隊(duì)受蝗蟲、蟈蟈等昆蟲在傾斜甚至倒立樹枝上穩(wěn)定爬行機(jī)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(jié)構(gòu)，開發(fā)出一種仿生梯度化曲率光滑墊結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在保有多界面適應(yīng)性的同時(shí)，成功通過振動(dòng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了黏附/摩擦性能的亞秒級(jí)黏脫切換。相關(guān)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(jī)器人靈巧操作、精密設(shè)備制造等領(lǐng)域中長期存在的“強(qiáng)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(tuán)隊(duì)采用摩方精密的面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該材料在測(cè)試中表現(xiàn)出穩(wěn)定的黏附與摩擦性能：黏附強(qiáng)度超過60.0 kPa，摩擦強(qiáng)度高于130.0 kPa，并在200次連續(xù)循環(huán)測(cè)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(dòng)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(shè)計(jì)與振動(dòng)調(diào)節(jié)黏附/摩擦機(jī)制示意圖。
圖2. 四種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其黏附/摩擦性能的影響。
圖3. 不同結(jié)構(gòu)在靜態(tài)/振動(dòng)粗糙基底上的黏附與摩擦性能對(duì)比。
進(jìn)一步研究表明，仿生曲率梯度化光滑墊結(jié)構(gòu)在振動(dòng)測(cè)試條件下呈現(xiàn)雙模態(tài)響應(yīng)和振動(dòng)耐受等特征。在50 Hz/100 μm振動(dòng)條件下其黏附性能由靜態(tài)時(shí)的1.371 ± 0.004 N提升至3.711 ± 0.037 N，增幅達(dá)270.68 %（模態(tài)I）；而200 Hz/100 μm振動(dòng)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(guān)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(shè)計(jì)使材料在400 Hz/60 μm振動(dòng)環(huán)境下仍能保持70%以上的摩擦性能（圖3）。
機(jī)理分析方面，該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，有效實(shí)現(xiàn)界面應(yīng)力的均勻分布，既增強(qiáng)了有效黏附功，又降低了界面應(yīng)變能。振動(dòng)測(cè)試中的力與位移測(cè)試曲線和時(shí)溫等效原理測(cè)得的頻率與儲(chǔ)存模量/損耗模量等數(shù)據(jù)分析表明，低頻振動(dòng)通過彈性主導(dǎo)增強(qiáng)附著（模式Ⅰ），而高頻振動(dòng)則通過黏性耗散減弱附著（模式Ⅱ），從而能實(shí)現(xiàn)小于30毫秒的黏脫附狀態(tài)切換，其響應(yīng)速度與壁虎處于同一量級(jí)。
在測(cè)試平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)金屬、有機(jī)玻璃和晶圓等材料的無損黏脫附驗(yàn)證后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(shí)現(xiàn)了偏心基底的無損搬運(yùn)。便攜式模塊同樣可集成于機(jī)械臂末端，滿足高精度、大面積的作業(yè)需求。
總結(jié)：該研究提出的“梯度分布-振動(dòng)誘導(dǎo)”協(xié)同策略，成功實(shí)現(xiàn)了在傾斜、粗糙、振動(dòng)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(jié)構(gòu)黏附/摩擦材料從被動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化到主動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)控的轉(zhuǎn)變，為發(fā)展適用于動(dòng)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
