科學傢實現仿壁虎腳粘性表面的批量生產

地球上的生物在長期進化過程中逐漸練就瞭一身特殊的本領,例如壁虎、蜥蜴、蜘蛛等不僅能在垂直墻壁上運動自如,即使頭部向下也能在樹上或天花板上停留和爬行。是什麼使壁虎擁有如此超強的黏附力呢?

近年來,科學傢們已經探尋到瞭壁虎粘性的秘密,壁虎的腳趾存在弧狀褶皺,有人認為粘附力來源於褶皺的吸力或抓握,但從電鏡下可以看出褶皺上存在微米級的纖維,這些纖維與表面直接接觸,使吸引力加大,從而形成瞭牢固的附著力。

科學傢實現仿壁虎腳粘性表面的批量生產

科學傢們受壁虎的啟發,已經在用於抓取物體的橡膠材料中開發出瞭模擬壁虎腳趾的粘性,但是目前為止,無法將這種技術批量生產以用於人們的日常生活。

近期,美國佐治亞理工學院的Michael Varenberg教授首次報道瞭一種具有成本效益的制造具有”壁虎粘性”表面的幹式粘合劑的新方法,制作方法簡單而且可以實現大規模生產,並將其應用到日常生活中。研究人員基於該幹式粘合劑制備瞭一種簡單抓取器,可以對日常的各種物體進行拾放,大大優於現有的模制類似物。這種具有壁虎粘性的表面有望用於在屋頂或高樓大廈等建築外墻的工作。

科學傢實現仿壁虎腳粘性表面的批量生產

具有”壁虎粘性”表面的制備

如圖1所示,研究人員首先將PU或PVS的聚合物層均勻地塗覆在基板上;再將成排的剃須刀片浸入聚合物層中;然後將刀片從聚合物中拉出,通過調控拉出的距離、速度和時間來控制微結構的表面形態;最後,使刀片相對於基材保持不動,直到聚合物完全固化,取出刀片,即可在表面留下瞭微米級的凹槽,從而得到具有”壁虎粘性”的微結構化表面。

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圖1. “壁虎粘性”表面的制備過程

基於壁虎粘性表面的抓取器

這種具有”壁虎粘性”的表面可用來制造用途極廣的抓取器,與現有的隻能抓取單一物品的抓取器相比,研究人員制造的基於壁虎粘性表面的抓取器則可以粘上除特氟龍之外的任何東西。

如圖2、3所示,既可以提起像手機這樣的扁平物體,也可以舉起雞蛋和蔬菜等形狀不規則的物體,而且其表面是幹燥的,不含任何膠水或粘液。該技術有望改進甚至取代現有的單一功能的抓取器。

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圖3. 壁虎粘性表面對雞蛋和蔬菜的提放


實驗參數的確定

這種壁虎粘性表面的強粘附性主要來自表面上短而松軟的微結構,雖然這種新方法制作簡單,甚至能實現大規模生產,但整個開發過程卻耗時一年多,需要對聚合物的粘度,刀片拉出的時間、速度和距離等參數進行細微的調節和確定。

刀片浸漬/拉伸時間的確定

為瞭向上拉高襟翼並在聚合物下沉前完全固化,聚合物必須具有一定的粘度。如圖4所示,研究人員評估瞭PVS和PU的粘度,發現二者表現出不同的固化行為,隨後通過調控時間變量進行實驗,確定瞭PVS和PU的浸漬/拉伸時間分別約為50/70 s和1080/1200 s。

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圖4. 刀片浸漬/拉伸時間的確定實驗

刀片拉出距離的影響

刀片拉出距離對襟翼的高度有著重要影響,如圖3a所示,刀片提起後,隻要聚合物未完全固化就會下沉,在刀片表面殘留一層跡線,這層跡線會隨著刀片的取出而被撕下,導致襟翼降低。

因此,要想精確調控襟翼高度,必須對殘缺部分進行校正,圖5b給出瞭襟翼的估計高度,撕裂的尺寸會隨著拉深距離的增加而增加,最後趨於平穩,因此用理論的襟翼高度(圖5c實線)減去撕裂高度(圖5b虛線),即可得出實際的襟翼高度(圖5c虛線)。

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圖5. 刀片拉出距離對襟翼高度的影響

刀片拉出速度的影響

在刀片的拉出過程中,若拉伸速度較快會導致在更大的粘性力作用於聚合物層,因此研究人員探究瞭拉伸速度對襟翼厚度的影響。盡管PVS和PU的粘度和浸漬/拉伸時間差異很大,但從圖6可以看出,所有數據都落在一條具有兩個不同區域的總曲線上,顯示出良好的一致性。這表明該方法可以適用於其他固化聚合物,對多種固化聚合物具有普適性。

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圖6. 刀片拉出速度對襟翼的影響

在本篇文章中,研究人員首次實現瞭具有高靈活性和成本效益的幹粘合劑,制作方法簡單且具有可擴展性,研究人員通過對實驗參數的調控來控制制造過程,使其適合批量生產。這種幹粘合劑微結構的性能比傳統模塑工藝更好,而且抓握過程不需要高精度的控制即可運行。我們相信這項技術將為抓取器和幹粘合劑的發展提供新的方向,並為工業和傢庭使用的商業化抓取器開辟新的道路!

原文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c01812

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