仿生干粘附結(jié)構(gòu)依賴于與界面間的范德華力作用，可對不同材料和表面產(chǎn)生強大的粘附能力，已在運輸機械臂、攀爬機器人、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)致裂紋擴展，削弱粘附性能。此外，如何避免機器人操作中常見的振動效應(yīng)對粘附狀態(tài)的影響仍是具有挑戰(zhàn)性的，這決定了抓取和運輸操作的穩(wěn)定性和安全性。因為即使是輕微的振動，也會使某一區(qū)域的接觸狀態(tài)極度不穩(wěn)定，造成裂紋迅速發(fā)生并蔓延的風險。因此，提高對不規(guī)則表面的適應(yīng)性，同時保持穩(wěn)定的抗振動能力是推動仿生干粘附結(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)計思路
多孔形態(tài)與物理切割耦合作用下的粘附機制
多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)對于典型的非平整表面展現(xiàn)出良好的粘附性能。實驗證明，對具有不同曲率的內(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)最大可提升一個數(shù)量級，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才可以達到，單純進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)值模擬進一步證實了這種耦合作用機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)，當裂紋擴展到切口處會被迫重啟，而低模量擴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)對界面誤差的補償作用效果顯著，無論是角度誤差還是臺階誤差，相比傳統(tǒng)的粘附結(jié)構(gòu)都實現(xiàn)數(shù)量級的提升，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)的粘附增強機制
圖4 多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)的誤差補償作用
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計策略
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)計準則。實驗結(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性能和界面粘結(jié)狀態(tài)之間的權(quán)衡。頂層厚度過大，會增加抗彎剛度，降低界面的適應(yīng)性。然而，當頂層厚度過小時又會削弱薄膜與襯底之間的結(jié)合強度，依然不利于高強度粘附。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)計不僅可以滿足結(jié)合強度的要求，且可以實現(xiàn)彎曲剛度和柔韌性的最佳組合。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)不同的孔隙率會影響多孔襯底的拉壓模量，從而改變粘附性能？紫堵试礁撸瓑耗Ａ康谋戎翟酱，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
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，研究團隊針對機器人操作中的幾個特殊場景對多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)用驗證。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，研究團隊還自行搭建了振動測試平臺，對多尺度仿生粘附結(jié)構(gòu)的抗振特性進行了驗證，如圖7所示。傳統(tǒng)的粘附結(jié)構(gòu)在振動環(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)可以保持長達一分半鐘。這是由于當系統(tǒng)受到振動干擾時，孔隙可以起到緩沖作用，吸收部分振動引起的能量累積。此外，物理切口的存在減弱了每個粘附單元之間產(chǎn)生的擠壓和摩擦等機械相互作用，從而保證了整個接觸區(qū)域的粘附穩(wěn)定性。這種抗振動能力的顯著提高有利于提升粘附結(jié)構(gòu)在目標物體操作中的穩(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
