西安交大邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)《Sci. Adv.》：開(kāi)發(fā)出傳感觸發(fā)變剛度智能粘附結(jié)構(gòu)
壁虎能夠在豎直墻壁以及天花板表面靈活自由的爬行或長(zhǎng)時(shí)間靜止不動(dòng)，對(duì)于接觸表面表現(xiàn)出強(qiáng)大且可逆的粘附能力。以其腳掌末端結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，科研人員已經(jīng)能仿制出類似的干粘附結(jié)構(gòu)，并在特種機(jī)器人、智能機(jī)械手、醫(yī)療工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的應(yīng)用潛力。盡管近二十年來(lái)干粘附仿生結(jié)構(gòu)取得了諸多研究進(jìn)展，但人造結(jié)構(gòu)與生物活體組織在表面適應(yīng)性和粘脫快速切換方面仍存在顯著差距。開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異表面適應(yīng)性及其快速粘脫切換能力的干粘附結(jié)構(gòu)是其工程應(yīng)用的挑戰(zhàn)性難題。
從“單一功能”到“系統(tǒng)集成”
近日，西安交通大學(xué)邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)提出了一種基于傳感觸發(fā)的變剛度智能粘附結(jié)構(gòu)，不同于傳統(tǒng)研究僅關(guān)注結(jié)構(gòu)形態(tài)的仿生策略，該研究結(jié)合了生物體肌肉組織和傳感神經(jīng)的耦合功能，即基于界面接觸狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知，通過(guò)磁流變效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)粘附結(jié)構(gòu)剛度的主動(dòng)調(diào)控，達(dá)到非平整表面自適應(yīng)附著及其粘附/脫附快速切換的目的。當(dāng)粘附結(jié)構(gòu)接近目標(biāo)表面時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整為軟狀態(tài)（移除磁場(chǎng)），以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)表面的共形接觸；在拾取目標(biāo)物體時(shí)切換到硬狀態(tài)（施加磁場(chǎng)），以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)表面的高強(qiáng)度附著；在釋放物體時(shí)再次恢復(fù)到軟狀態(tài)（移除磁場(chǎng)），以實(shí)現(xiàn)脫附行為，如圖1所示。智能粘附結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)變形和形狀鎖定能力，使其能夠在甚少考慮表面形態(tài)或紋理的情況下對(duì)各類表面進(jìn)行操作，已成功實(shí)水杯、高爾夫球、西紅柿等日常生活常見(jiàn)非平整表面物體的拾取與釋放。此外，歸結(jié)于磁場(chǎng)的快速切換特性，智能粘附結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間可達(dá)毫秒級(jí)別（約100 ms），類比于哺乳動(dòng)物骨骼肌的響應(yīng)特性，突破了粘附結(jié)構(gòu)在高節(jié)拍操作應(yīng)用中的技術(shù)瓶頸。相關(guān)研究成果以“Sensing-triggered stiffness-tunable smart adhesives”為題發(fā)表《Science Advances》上，西安交通大學(xué)王鐸睿博士為論文第一作者。
圖1 基于磁流變效應(yīng)的傳感觸發(fā)變剛度粘附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路
剛度調(diào)控下的非平整表面粘附增強(qiáng)機(jī)制
智能粘附結(jié)構(gòu)通過(guò)實(shí)時(shí)剛度調(diào)控，實(shí)現(xiàn)接觸過(guò)程軟狀態(tài)和脫離過(guò)程硬狀態(tài)的控制，達(dá)到目標(biāo)表面的保形接觸和形狀鎖定。相比傳統(tǒng)單一剛度粘附結(jié)構(gòu)，變剛度智能粘附結(jié)構(gòu)對(duì)于曲面乃至非平整表面的粘附性能提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖2所示。有趣的是，智能粘附結(jié)構(gòu)由于在脫離過(guò)程中切換到硬狀態(tài)，導(dǎo)致在整個(gè)拉拔過(guò)程中保持穩(wěn)定的“U”形接觸。不同于傳統(tǒng)硬質(zhì)粘附結(jié)構(gòu)的點(diǎn)接觸以及軟質(zhì)粘附結(jié)構(gòu)的“N”形接觸，這種恒定的“U”形接觸提供了相對(duì)較大的接觸面積、較小的剝離角以及切向摩擦作用，有利于提高粘附性能。此外，研究團(tuán)隊(duì)建立了基于cohesive單元的力學(xué)模型，探究了剛度調(diào)控下仿生結(jié)構(gòu)在非平整表面的粘附增強(qiáng)機(jī)制，如圖3所示。在接觸和拉拔過(guò)程中，智能粘附結(jié)構(gòu)更為勻化的界面應(yīng)力分布是其粘附增強(qiáng)的關(guān)鍵；同時(shí)，智能粘附結(jié)構(gòu)界面在拉拔過(guò)程中所受到的法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力均處于較低水平，對(duì)界面剝離會(huì)產(chǎn)生有效的抑制作用。
圖2 智能粘附結(jié)構(gòu)的粘附特性
圖3 智能粘附結(jié)構(gòu)的粘附增強(qiáng)機(jī)制
傳感觸發(fā)工作機(jī)理
在粘附過(guò)程中，界面接觸狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于剛度調(diào)控尤為重要，其決定了粘附結(jié)構(gòu)何時(shí)變硬、何時(shí)變軟，達(dá)到穩(wěn)定高效抓取的目的。受蜘蛛感知系統(tǒng)的啟發(fā)（基于納米裂紋結(jié)構(gòu)的斷開(kāi)-重連效應(yīng)），研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于碳納米管的聚氨酯網(wǎng)絡(luò)-磁流變材料的復(fù)合形式力學(xué)傳感器，用于接觸界面力學(xué)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，如圖4所示。在外力作用下，復(fù)合結(jié)構(gòu)中的碳納米管涂層會(huì)產(chǎn)生裂紋，從而影響電阻的變化。更重要的是，涂層中裂紋的數(shù)量和密度可以通過(guò)對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)施加不同的預(yù)拉伸來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)控，以此完成傳感器靈敏度的優(yōu)化制造。該傳感器在面向不同輪廓目標(biāo)（平面或曲面）和不同載荷形式（壓縮載荷或拉伸載荷）時(shí)，均表現(xiàn)出良好的靈敏度和線性度，滿足了智能粘附結(jié)構(gòu)在拾取復(fù)雜形狀物體時(shí)的界面感知要求，提供了一種僅通過(guò)記錄電阻變化來(lái)監(jiān)測(cè)粘附過(guò)程的創(chuàng)新途徑。
圖4 智能粘附結(jié)構(gòu)的傳感性能
智能粘附操縱展示
智能粘附結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)剛度調(diào)控產(chǎn)生具有顯著差異的高/低附著力。為此，研究團(tuán)隊(duì)將一體化智能粘附結(jié)構(gòu)集成到機(jī)械臂末端，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)非平整表面物體的抓取、轉(zhuǎn)移和釋放操作，如圖5所示。在操作過(guò)程中，無(wú)論是接觸階段、轉(zhuǎn)運(yùn)階段還是釋放階段都可以觀察到具有顯著特征的電阻信號(hào)。更重要的是，由于磁流變脂對(duì)外部磁場(chǎng)的快速響應(yīng)能力，智能粘附結(jié)構(gòu)的粘附切換時(shí)間低至100 ms，達(dá)到了哺乳動(dòng)物骨骼肌的收縮/擴(kuò)張水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)基于光控、熱控等粘附切換方法的響應(yīng)時(shí)間，滿足了機(jī)器人快節(jié)奏應(yīng)用場(chǎng)景的需求。此外，基于磁場(chǎng)調(diào)控的粘附切換策略具有更為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)配置，相比氣動(dòng)控制方法不再需要額外的流體通道設(shè)計(jì)以滿足取放系統(tǒng)的壓力供給需求。
圖5變剛度智能粘附結(jié)構(gòu)的物體操縱展示
小結(jié)
邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于微納結(jié)構(gòu)界面仿生粘附相關(guān)研究，已經(jīng)在界面粘附機(jī)制、仿生粘附結(jié)構(gòu)制備、智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域做出諸多創(chuàng)新性工作。與傳統(tǒng)被動(dòng)式粘附結(jié)構(gòu)不同，本研究提出的新一代干粘附結(jié)構(gòu)，具有典型的智能化主動(dòng)式粘附特征，更接近于真實(shí)的自然界生物體，具有優(yōu)異的目標(biāo)表面適應(yīng)性以及粘附/脫附快速轉(zhuǎn)化性。更重要的是，肌肉組織和傳感神經(jīng)的耦合仿生功能結(jié)構(gòu)不局限于匹配壁虎仿生干粘附結(jié)構(gòu)，可拓展至章魚(yú)、樹(shù)蛙等濕粘附結(jié)構(gòu)，為仿生粘附領(lǐng)域提供一種通用策略，有助于推動(dòng)夾持、操縱和攀爬等系列化智能機(jī)器人的發(fā)展。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf4051
