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南航姬科舉課題組 Small：壓力誘導的可控仿生黏脫附技術

2023-09-21 來源：高分子科技

“強黏附、易脫附”是仿生黏附技術在工程應用中的基本力學需求，特別是黏脫附切換的便捷性、經濟性與可靠性，直接影響著界面操控自動化的實現程度。壁虎、蒼蠅、蜘蛛等生物依靠足底剛毛結構的角度控制，擁有了攀巖走壁的全空間運動能力，近年來國內外學者借以熱、光、電、磁以及類壁虎角度等方式實現了仿生黏附-脫附控制，甚至展現出了足以媲美生物黏脫附控制的能力，為仿生黏附技術的工程應用奠定了基礎。

為了進一步提升仿生黏附技術的應用便捷性與經濟性，南京航空航天大學姬科舉課題組提出了一種壓力誘導的可控黏附-脫附技術，通過仿生黏附結構的微觀設計，可以僅僅依賴法向壓力控制，實現界面的黏附與脫附，極大地簡化了界面操控實現的路徑和方式。

圖1 仿生黏附材料的作用機理

論文介紹了一種由背襯層、中間層與底層組成的多層級仿生黏附材料，其特征是具有傾斜陣列的三明治夾層結構。當仿生黏附材料承受較低的壓力時，中間層的四邊形陣列發生小變形，底層薄膜與接觸面間的接觸未被干涉，界面接觸良好，實現黏附。當黏附材料承受的法向壓力超過一定的閾值時，中間層的四邊形棱柱陣列發生大變形，并帶動底層薄膜發生屈曲，此時底層與基底之間的良好接觸狀態被破壞，實現脫附。通過控制法向壓力，黏附材料能夠實現從“低預壓黏附”到“高預壓黏附”的切換。

圖2 仿生黏附材料的制備及其黏附性能

仿生黏附材料的結構參數對其在壓力誘導下的黏附-脫附行為具有關鍵影響。通過量化傾斜陣列角度、間隔、厚度等參數，可以獲得預壓力與黏附力之間的誘導關系，為預壓力誘導的黏脫附行為提供了基礎。

圖3 仿生黏附材料在低壓力和高壓力下的界面接觸與自身微結構變形過程

仿生黏附材料在低壓力和高壓力的作用下的變形過程顯示：低壓力下，黏附材料的底面與接觸面始終保持良好的接觸；在高壓力下，黏附材料中間層發生大變形導致了底面的屈曲，且在力卸載的過程中，彈性體應變的遲滯造成仿生黏附材料底面與基底的接觸并沒有恢復如初，進而完成界面的脫附行為。

圖4 仿生黏附材料的力學影響因素與使役特性分析

通過優化仿生黏附材料的結構參數，可以在不同的預壓力和拉脫速度下獲得較高的開關比（最大136倍的黏附力差異空間），且具有較短的切換時間（≤3 s）。此外，仿生黏附材料平面的末端在易清潔和可重復等方面也表現出了較好的特性。

圖5 多層級黏附材料的實際搬運應用及綜合性能評價

相關研究成果以“Preload-Induced Switchable Adhesion”為題發表在國際知名一區期刊Small（DOI:10.1002/smll.202305091）上。論文第一作者為南京航空航天大學機電學院碩士研究生涂沖文，論文通訊作者為姬科舉副研究員，南京航空航天大學為第一完成單位。本研究工作得到了國家自然科學基金（52075249）、江蘇省仿生功能材料重點實驗室基金等項目的資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202305091

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（責任編輯：xu）

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