南航大姬科舉/戴振東：昆蟲啟發(fā)的強(qiáng)摩擦和弱黏附柔性附著設(shè)計(jì)策略

更新時(shí)間：2024-01-29

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*機(jī)器人抓持器的發(fā)展旨在通過可控的黏附力和摩擦力實(shí)現(xiàn)高效、靈活和穩(wěn)定的物體操控。例如，具有強(qiáng)摩擦力和弱黏附力的柔性附著墊，可以實(shí)現(xiàn)可靠和高效的晶圓運(yùn)輸。具有光滑足墊的昆蟲，例如蟑螂、蝗蟲、螽斯等，可以實(shí)現(xiàn)高度動(dòng)態(tài)的附著和分離，即在奔跑和跳躍等高速運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)足墊的強(qiáng)摩擦和弱黏附。因此，理解和模擬昆蟲光滑足墊的增摩結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)具有攀爬和抓握功能的機(jī)器人發(fā)展。

近日，南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院姬科舉副研究員/戴振東教授課題組根據(jù)仿生原理設(shè)計(jì)和制造了一種可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)摩擦力和弱黏附力的仿生柔性附著機(jī)構(gòu)，靈感來自于昆蟲光滑足墊的內(nèi)部角質(zhì)層結(jié)構(gòu)。對(duì)于動(dòng)物來說，通過足肢抓住和操縱物體，從而實(shí)現(xiàn)與環(huán)境之間的高效互動(dòng)對(duì)于它們的生存至關(guān)重要。經(jīng)過億萬年的發(fā)展，這些末端效應(yīng)器，例如人類的手、昆蟲的腳、章魚的觸須和貓的爪等，已經(jīng)進(jìn)化出不同的結(jié)構(gòu)和功能以適應(yīng)環(huán)境挑戰(zhàn)。其中，昆蟲因其強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)能力成為了仿生機(jī)器人領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究對(duì)象。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)昆蟲光滑足墊的高適應(yīng)性、高摩擦力和弱黏附力來自于其圓弧表面和內(nèi)部樹枝狀結(jié)構(gòu)的共同作用，并且其表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的參數(shù)對(duì)于摩擦性能存在最佳值。該研究通過仿生設(shè)計(jì)原理實(shí)現(xiàn)了一種簡單的增摩減黏柔性附著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，為機(jī)器人抓持器與附著單元的設(shè)計(jì)與制造提供了新思路。

相關(guān)研究成果以“Insect-inspired design strategy for flexible attachments with strong frictional force and weak pull-off force"為題發(fā)表在國際摩擦學(xué)領(lǐng)域著名期刊《Tribology International》上（SCI一區(qū)，Top期刊，IF=6.20）。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士研究生趙家輝為第一作者，南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院姬科舉副研究員與戴振東教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委的大力支持。

本研究設(shè)計(jì)的仿生柔性墊采用硬質(zhì)模板法制備，所有模具均使用摩方精密microArch® S140（精度：10μm）光固化3D打印設(shè)備制造，制造工藝原理圖如圖1a所示。仿生柔性墊的表面粗糙度、接觸角和楊氏模量分別采用激光共聚焦顯微鏡、接觸角測(cè)試儀和萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試（圖1b和c）。摩擦和黏附性能由Bruker的UMT-2測(cè)得，具體步驟如圖1d和e。

圖1 a）通過模具澆筑制造仿生柔性墊的過程示意圖；b）仿生柔性墊的表面粗糙度和疏水性；c）商用PDMS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；d）受抑光在試驗(yàn)臺(tái)中的全反射圖；e）本研究中使用的摩擦測(cè)量程序示意圖和測(cè)試平臺(tái)的照片。

自然界中存在著多種不同粗糙度的表面，包括許多植物的葉子、巖石表面和樹干表皮等。昆蟲的足墊可以很好地適應(yīng)這些表面并以此為基底來為自己提供顯著的動(dòng)力（圖2a、d和g）。這些昆蟲的摩擦墊部分由四個(gè)半球形的跗墊（圖2b、e和h）組成，這一特征幾乎普遍存在于所有光滑的昆蟲足墊中，包括蟋蟀和竹節(jié)蟲等。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橫斷面掃描電鏡圖像（圖2c、f和i）顯示了昆蟲具有均勻厚度的光滑膜狀表皮，并且在內(nèi)膜層以下均勻分布著縱向排列的樹枝狀結(jié)構(gòu)。

圖2 螽斯、蝗蟲和蟑螂的足墊結(jié)構(gòu) a、d、g）螽斯、蝗蟲和蟑螂的攀爬抓握形態(tài)；b、e、h）足墊的腹面視圖；c、f、i）足墊接觸區(qū)域的橫截面。

為了闡明表面曲率對(duì)摩擦行為的影響，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了三種曲率分別為0、10和20m-1的實(shí)心墊，分別命名為S0、S1和S2。摩擦性能測(cè)試結(jié)果顯示，隨著表面曲率的增大，材料的角度適應(yīng)性變好，并且不會(huì)出現(xiàn)粘滑失效現(xiàn)象。然而，對(duì)于實(shí)心墊來說，表面曲率增大會(huì)使其實(shí)際接觸面積減小，從而導(dǎo)致摩擦力大幅度降低，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同法向力下實(shí)心墊的摩擦試驗(yàn) a-c）曲率為 0、10 和 20m-1 且基底角度為 0° 的實(shí)心墊的力-時(shí)間曲線；d-f）實(shí)心墊在基底角度為0°、1°、2°和3°時(shí)的摩擦力；g）不同曲率實(shí)心墊受力時(shí)的有限元分析。

基于上述掃描電鏡圖像中關(guān)鍵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)直徑為20mm，表面曲率為20m-1的仿生柔性墊（圖4a）。在本研究中，柱子的朝向垂直于彎曲的表面接觸膜，并固定在一個(gè)平坦的剛性背襯層上。其中，四個(gè)主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)可能會(huì)影響仿生柔性墊的摩擦性能，分別為柱直徑（R1）、柱中心距離（R2）、最大柱高度（L1）和接觸膜厚度（L2）。對(duì)多個(gè)參數(shù)的分析表明，仿生柔性墊的摩擦力主要受兩個(gè)比值的影響：R1/L2和(R1)2/(R2)2。對(duì)于柔性和均勻的粘彈性材料，R1/L2和(R1)2/(R2)2的物理意義分別表示向接觸膜中傳播的力的垂直深度和水平寬度。在本研究中，所選用材料確定的合適的結(jié)構(gòu)比值為R1/L2 = 0.75和（(R1)2/(R2)2 = 0.36。

圖4 a）仿生柔性墊的照片和示意圖；b）仿生柔性墊在不同法向力下以R1/L2和(R1)2/(R2)2為函數(shù)的剪切力；c-f）通過動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和模擬分析R1/L2和(R1)2/(R2)2對(duì)摩擦力的影響。

團(tuán)隊(duì)選擇了8種不同粗糙度的基底來測(cè)試仿生柔性墊對(duì)不同材料表面的適應(yīng)性（圖5a）。結(jié)果顯示，在相對(duì)較高的正常載荷（1.0–3.0 N）下，仿生柔性墊對(duì)不同基底的摩擦力主要受材料的影響，而表面粗糙度的影響可以忽略不計(jì)（圖5b)。然而，在較低的法向載荷（0.5 N）下，摩擦力隨著基底表面粗糙度的增加而顯著降低（圖5c），這可以歸因于粗糙表面上的黏附失效。因此，當(dāng)表面粗糙度超過0.408 μm時(shí)，仿生柔性墊與基底之間的摩擦主要以犁溝力為主。圖5d展示了仿生柔性墊在垂直和大傾斜角攀爬中的應(yīng)用，表明了本研究所開發(fā)的強(qiáng)摩擦材料具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖5 a）8種具有不同粗糙度的基底；b）仿生柔性墊在相對(duì)較高的法向載荷（1.0–3.0 N）下對(duì)8種基底的摩擦力；c）較低載荷下仿生柔性墊的摩擦力隨表面粗糙度的變化；d）仿生柔性墊陣列的實(shí)際應(yīng)用。

結(jié)論：受昆蟲光滑足墊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)啟發(fā)，本研究通過3D打印模具技術(shù)制造了可以大規(guī)模生產(chǎn)的仿生柔性墊。其摩擦力和黏附力主要受柱直徑、柱中心距離、最大柱高度、接觸膜厚度和表面曲率五個(gè)參數(shù)的影響。因此，可以通過調(diào)整這些參數(shù)來控制其力學(xué)性能，從而保證仿生柔性墊在快速動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中的強(qiáng)摩擦力和易脫附性。具有強(qiáng)摩擦力和弱黏附力的仿生柔性墊在*制造中具有潛在的應(yīng)用前景，如飛機(jī)檢驗(yàn)、夾持機(jī)器人和半導(dǎo)體器件加工等。