新型仿生粘合材料实现量产

来源:智汇工业

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关键词:新型仿生粘合材料 粘合材料

    为什么壁虎能爬上摩天大楼?因为它们的脚趾几乎能粘住任何东西。工程师们早已知道壁虎脚粘性的秘密,并模仿这一功能制造了能抓取和释放物体的橡胶条状材料。但到目前为止,他们没有实现大规模生产这类材料,以及投入日常应用。

    受壁虎脚的启发,乔治亚理工学院的研究人员在一项新的研究中发表了一种制作粘合材料的方法,该方法比已有的方法更加经济,可以实现批量生产。它或许可以用于制造多功能的抓手,应用于制造业和家用。


    这种具有壁虎脚附着力的聚合物,用于制造用途极为广泛的抓手,即使是同一条装配线生产的抓手,也可以拾取截然不同的物体。它们可以同时粘在墙上和画上,很容易悬挂物体。具有壁虎附着力的吸尘器机器人,有朝一日或可以爬上高层建筑,清洁外墙。


    该研究的主要研究人员、佐治亚理工学院的助理教授Michael Varenberg说:“除了特氟隆(具有润滑作用)之类的东西,它什么都能粘。这在制造业中是一个优势,因为我们不必为不同的物体表面,准备不同的抓握工具。这种受壁虎启发研发出的粘合剂,可以举起盒子等扁平物体,也能拿起鸡蛋和蔬菜之类的弯曲物体。”


    目前,装配线上的抓具如磁铁和吸盘,都只能举起一定范围内的物体。基于壁虎脚趾表面做成的抓具是干燥的,不含胶水或粘胶,可以替代多种抓具或者填补其他抓持工具的空白。


    这一材料的粘附力来自几百微米大小的突起,看起来就像一片短而松软的壁,它们在材料的表面呈相互平行排列。目前,模塑技术能制造出中等规模的粘附壁,方法是将原料倒入模板,让它们混合并发生反应,形成一种柔韧的聚合物,然后将它从模具中取出,但这种方法并不方便。Varenberg说:“模塑技术是一种昂贵又耗时的过程。材料在脱模时会出现一些问题,影响粘附表面的质量。”


    研究人员的新方法是将材料倾倒在一个光滑的表面上,当聚合物部分凝固后,将一排排实验室刀片插入其中。材料在刀片周围会稍稍溢出,当拉出刀片后,会留下微米级的缺口,而这些缺口会被粘附壁包围。这一研究发表于ACS Applied Materials&Interfaces。虽然新方法比模塑技术更容易,但其开发过程也花费了一年的时间,包括浸入材料、拉出成型以及在电镜下重新调整材料复杂的细节。


    Varenberg说:“要控制的参数很多:液体的粘度和温度;撤出刀片的时间、速度和距离。我们需要使固化的聚合物具有足够的可塑性,能沿着刮刀壁向上拉伸。同时材料的刚性不能过高,这会导致粘附壁撕裂。”生产的材料在微米级甚至在纳米级上也具有良好的形态,虽然模塑技术制成材料通常更精准,但不必刻意追求完美。用新方法制成的材料效果很好,而且坚固耐用。


    “很多研究员认为这种模拟壁虎粘附力的材料只能在干净的环境和设备,才能进行展示。但是,我们的材料在正常环境下就能正常工作。它简单又耐用,在工业和家用中具有良好的应用潜力。”Varenberg表示,他主攻自然的表面材料,并通过模仿它们的优点来制造人造材料。


    研究人员发现壁虎的脚趾上有隆起,因此一些人认为它们的脚是靠吸力或是依靠某种形式的皮肤来抓握和粘附物体的。但是电子显微镜揭示出其中更深层的结构——刮刀状刚毛原纤维从这些脊突中伸出几十微米。这些纤丝与低至纳米量级的表面结构充分接触,两者原子间较弱的吸引力会大幅叠加,形成了整体牢固的附着力。


    工程师们开发出了成排相互覆盖的材料替代纤毛,产生粘附效果。一种常见的形状是材料的表面看起来像数百个微米大小的蘑菇群;另一种则是像上述研究中的材料,表面呈现为一排排短壁状结构。


    “蘑菇形式材料接触一个表面后能直接粘附,但并不方便分离,需要施加很大的力量,”Varenberg说,“壁状形式的材料使用时只需要较小的剪切力,类似拖动或轻抓来产生粘附,但它使用起来很容易,也容易与物体分离。”


    Varenberg等人制作了U型和V型的粘附壁,使用的材料是聚苯乙烯硅氧烷(PVS)和聚氨酯(PU)。用PVS制造的V型效果最好,但是PU制造的材料适合工业应用。因此,Vanenberg等人正致力于实现利用PU材料,制造V型壁虎抓握结构。


    (审核编辑: 智汇小新)