智能型粘接的可切換粘接特性，是許多機(jī)械系統(tǒng)所期望的。自然界中動(dòng)物通過復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)或肌肉運(yùn)動(dòng)主動(dòng)控制他們的身體上的膠粘劑的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)或捕獵。壁虎的腳部有層狀的原纖維結(jié)構(gòu)，蚜蟲通過肌肉驅(qū)動(dòng)的干附著力進(jìn)行爬行，樹蛙和昆蟲依靠粘液的分泌實(shí)現(xiàn)快速的附著和分離。但是，這些受動(dòng)物粘附啟發(fā)的人造膠粘劑只適用于濕潤或干燥的表面，其膠粘強(qiáng)度開關(guān)比有限。
章魚吸盤在干、濕環(huán)境下對(duì)表面無孔粘著性能優(yōu)異。借助于肌肉運(yùn)動(dòng)，章魚可以輕松地控制吸盤內(nèi)的壓力，從而在外表面產(chǎn)生可調(diào)節(jié)和切換的粘合強(qiáng)度。章魚吸盤具有獨(dú)特的形狀，它由兩部分組成：盤形漏斗和空心髖臼。柔軟的漏斗能保持與各種粗糙表面的接觸，從而形成防水密封。復(fù)雜的肌肉組織增加髖臼腔的體積，從而降低腔壓，增強(qiáng)腔內(nèi)黏附。彈性應(yīng)變儲(chǔ)能假說解釋了章魚吸盤可以在長時(shí)間的附著過程中保持亞環(huán)境壓力，而不需要通過收縮肌肉來持續(xù)消耗能量。在附著前，先將髖臼頂向下預(yù)拉，以減少空腔體積，然后放松肌肉，釋放所儲(chǔ)存的彈性能量，增加空腔體積。然而，以往的驅(qū)動(dòng)方案不夠節(jié)能和有效，因?yàn)樗鼈冎皇悄７挛P的形狀來被動(dòng)吸氣，沒有主動(dòng)降低附著力，或者需要高電流、高電壓或長時(shí)間響應(yīng)。
浙江大學(xué)的宋吉舟團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種由章魚啟發(fā)的智能膠粘劑的新穎設(shè)計(jì)，該膠粘劑通過同時(shí)模仿章魚吸盤的形態(tài)和肌肉致動(dòng)來提供快速可調(diào)，可切換和高度可逆的粘合強(qiáng)度。該智能膠粘劑具有兩個(gè)空腔，每個(gè)空腔由一個(gè)彈性膜隔開，上面的空腔充滿了磁性顆粒，而下面的空腔則是空的。這種構(gòu)造再現(xiàn)了章魚吸盤的粘附和釋放策略，通過外部磁場以類似于髖臼頂?shù)姆绞街鲃?dòng)地控制彈性膜的變形。借助于彈性的能量存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了到各種異物表面的能量有效的附接。該研究以題為《Elastic Energy Storage Enabled Magnetically Actuated, Octopus‐Inspired Smart Adhesive》的論文發(fā)表在最新一期的AFM雜志。
智能膠粘劑的設(shè)計(jì)和原理
磁力驅(qū)動(dòng)的智能膠粘劑由聚二甲基硅氧烷制成，由兩個(gè)壓模腔體和一個(gè)壓模薄膜組成，其上部腔體內(nèi)填充有磁性顆粒(羰基鐵顆粒)。通過調(diào)節(jié)電磁鐵的電流和電磁鐵與膠粘劑之間的距離，可以控制磁力大小。將壓模與玻璃基板密封后，移除預(yù)壓磁場，可釋放壓模膜片中儲(chǔ)存的彈性勢能，使膜片彈回。
薄膜撓度的減小將使下腔與大氣之間的負(fù)壓差增大，從而產(chǎn)生較高的粘結(jié)強(qiáng)度。利用磁場控制薄膜的變形，可以實(shí)現(xiàn)磁力驅(qū)動(dòng)、連續(xù)可調(diào)、高可逆的粘結(jié)強(qiáng)度。另外，采用剛性梯度設(shè)計(jì)的壓模表層柔軟，可改善膠粘劑與異物表面的粘合性能。
磁驅(qū)動(dòng)智能膠的粘性能研究
在智能粘合劑的瞬時(shí)壓力反應(yīng)中，85%的降壓過程可在250毫秒內(nèi)完成，而整個(gè)降壓過程可在500毫秒內(nèi)完成。粘度變化快，是因?yàn)榇判灶w粒對(duì)施加的磁場反應(yīng)快，所以能很快粘附到異物表面。類似地，分離過程非?？?，因此具有快速切換粘合效果。智能型粘合劑的耐久性與彈性模塑膜的疲勞壽命一致，具有重復(fù)性好、耐久性好等特點(diǎn)。
在干燥和潮濕環(huán)境中的物體操縱
以章魚為靈感設(shè)計(jì)的智能粘合劑功能豐富，實(shí)用性強(qiáng)，能在干燥和潮濕的環(huán)境中操作各種形狀和材料的物體。實(shí)驗(yàn)小組在空氣中完成直徑為4英寸硅片的轉(zhuǎn)印過程。最終，通過將 Si芯片印刷到基板上，成功回收膠粘劑，證明了膠粘劑強(qiáng)大的轉(zhuǎn)換能力。剛度梯度設(shè)計(jì)，即使有一定的粗糙和彎曲，也能實(shí)現(xiàn)智能膠粘劑在不同材料不同表面上的密封能力。智能粘合劑還可在潮濕條件下，利用磁鐵有效地粘附或與目標(biāo)表面分離。為進(jìn)一步研究膠粘劑的長期密封性，對(duì)不同粗糙度表面進(jìn)行了懸掛試驗(yàn)。當(dāng)玻璃表面干燥光滑時(shí)，膠粘劑可在100分鐘內(nèi)保持良好的密封狀態(tài)。得益于章魚啟發(fā)的能量儲(chǔ)存機(jī)制，這種智能粘合劑在握住各種物體時(shí)不需要額外的能量輸入。
該團(tuán)隊(duì)研制出一種由磁力驅(qū)動(dòng)通過能量儲(chǔ)存機(jī)制驅(qū)動(dòng)的智能膠水。獨(dú)特的軟表面層設(shè)計(jì)，可增強(qiáng)粘結(jié)劑在異物表面的粘結(jié)性和密封性，達(dá)到持久粘結(jié)效果。機(jī)械分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，為磁性智能膠的粘接強(qiáng)度提供了簡單的縮放規(guī)律。此外，強(qiáng)弱粘結(jié)劑的轉(zhuǎn)換可以在幾百毫秒內(nèi)完成。由于彈性體膜的大變形，該智能粘合劑不僅能在水里使用，而且能在空氣中使用。本文提出的智能粘合系統(tǒng)概念，適用于需要在干燥、潮濕環(huán)境中可切換的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域，包括柔性電子轉(zhuǎn)移印花，以及具有不同粗糙度、不同彎曲度的剛性和可變形襯底的兩棲軟機(jī)器人操縱器。
