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  在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，經(jīng)常需要使用抓手來抓取、操縱和組裝物體。物體的抓取和操縱是機(jī)械系統(tǒng)的一項(xiàng)基本卻極具挑戰(zhàn)的任務(wù)，因?yàn)檫@些物體的尺寸范圍廣（橫跨宏觀尺度到微納米尺度），形狀各異，數(shù)量規(guī)模不一，有時(shí)甚至有一些特殊要求（如在轉(zhuǎn)印應(yīng)用中，拾取時(shí)要求一次性抓取大量元件，印刷時(shí)卻要求選擇性地釋放部分元件），因此很難使用一種通用方法來實(shí)現(xiàn)。

  浙江大學(xué)宋吉舟教授課題組基于形狀記憶聚合物，提出了一種適用于多尺度（1μm~1m）、任意形狀物體的通用抓手。該抓手為簡單的形狀記憶聚合物塊體，可以非常方便地進(jìn)行縮放，以處理不同尺寸的物體（圖1）。

圖1：不同尺度的形狀記憶聚合物抓手

  該設(shè)計(jì)利用形狀記憶聚合物的模量智能調(diào)控效應(yīng)，臨時(shí)形狀保持效應(yīng)和永久形狀記憶效應(yīng)來完成物體的抓取和釋放（圖2）。抓取時(shí)，先在外部刺激作用（如光、熱）下，讓形狀記憶聚合物轉(zhuǎn)變到低模量的柔軟狀態(tài)，在該狀態(tài)下將物體或者物體表面的結(jié)構(gòu)嵌入形狀記憶聚合物中；之后去掉外部刺激，讓形狀記憶聚合物回到高模量狀態(tài)，保持該變形的臨時(shí)形狀，將物體鎖住，從而把物體抓取起來。將物體轉(zhuǎn)移到目的地之后，再次施加外部刺激，則形狀記憶聚合物恢復(fù)初始形狀，將物體“吐出”從而釋放。

圖2 通用形狀記憶聚合物抓手抓取和釋放物體的流程示意圖

  該抓手能在各種典型的三維結(jié)構(gòu)物體，如球體、方塊、管狀物體、螺栓、螺母、棗核、鑰匙串等上產(chǎn)生巨大的抓取力（圖3）。同時(shí)，該抓手還適用于平面形狀的物體。在光滑玻璃（表面粗糙度Ra = 0.019 um）上的粘附強(qiáng)度可達(dá)113.9 kPa，在粗糙的磨砂玻璃 (Ra = 2.2 um)上粘附強(qiáng)度也強(qiáng)至81.7 kPa，和壁虎粘附的典型值100 kPa可比（圖3）。

圖3 通用形狀記憶聚合物抓手對典型宏觀物體的抓取能力

  當(dāng)物體尺寸小到微觀尺度（100 um左右或者更�。�，物體受到的表面力，特別是與抓手的粘附作用強(qiáng)，會給物體的釋放帶來挑戰(zhàn)。在該設(shè)計(jì)中，抓取通過把物體或者其表面結(jié)構(gòu)鎖在抓手中實(shí)現(xiàn)，不依賴抓手的粘附力，所以當(dāng)粘附力給物體釋放帶來挑戰(zhàn)時(shí)，就可以使用表面化學(xué)處理或者增加表面粗糙度的方法來減弱粘附來實(shí)現(xiàn)物體釋放。即使是對于75 um大小的不規(guī)則鐵顆粒或者是直徑10 um的二氧化硅球，物體也能順利從抓手上釋放（圖4）。

圖4 使用通用形狀記憶聚合物抓手操縱75 um 的不規(guī)則鐵顆粒和10 um 直徑的二氧化硅球

  該工作創(chuàng)新性地提出了一種適用于多尺度，任意形狀的物體抓取操縱的解決方案，其結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，能有效地解決機(jī)械抓手面臨的挑戰(zhàn)，同時(shí)不依賴粘附力的抓取方式為轉(zhuǎn)印技術(shù)也提供了一種新思路。這一成果近期以“Universal SMP Gripper with Massive and Selective Capabilities for Multi-scaled, Arbitrarily Shaped Objects”為題發(fā)表在Science Advances 上。文章共同第一作者為浙江大學(xué)碩士生令狐昌鴻和博士生張順，通訊作者為浙江大學(xué)宋吉舟教授。該項(xiàng)目得到了國家973計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金等的支持。

  該論文作者為：Changhong Linghu, Shun Zhang, Chengjun Wang, Kaixin Yu, Chenglong Li, Yinjia Zeng, Haodong Zhu, Xiaohui Jin, Zhenyu You, and Jizhou Song

  全文鏈接：http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aay5120