Advanced Functional Materials:磁驱动可开关仿生粘附

强度可调节的智能粘附系统具有广泛的应用场景,如医用胶布、工业抓手和用于确定性组装的转印印章等。生物中具有许多出色的智能粘附器官,如壁虎脚部的纤维结构、蚜虫可收缩鼓出的爪垫以及树蛙可分泌粘液的脚掌。这些优异的生物粘附系统激发了非常活跃的人造粘附表面的研究,然而目前大多数人造粘附表面只能在潮湿或者干燥条件下对平的表面有效,并且只有有限的粘附强度转换能力。在干、湿两种条件下,对各种表面和形状都具有优异的粘附强弱切换能力的智能粘附系统还亟待发展。

章鱼吸盘在干、湿环境下对任意的无孔表面都具有优异的粘附性能。通过肌肉驱动,章鱼可以很容易地控制吸盘内部的压强,从而在物体表面产生可调整的附着力。章鱼的吸盘由两部分组成:外露的漏斗状组织和中空的吸盘腔。漏斗状组织非常柔软,可以使吸盘能与任意形状的表面形成共形接触,从而确保吸盘腔体的密封。关于章鱼吸盘的负压生成机理,有一种弹性能储存原理解释了章鱼吸盘是如何既能在长时间的附着过程中保持负压又不需要持续的消耗能量。在与物体表面附着前,章鱼先将吸盘腔的顶部向下预拉,以减小吸盘腔的体积,并在腔顶的结缔组织中储存应变能,待与目标表面接触后,再放松肌肉,释放储存的应变能并增加吸盘腔的体积,使吸盘腔内的压强低于外界环境的压强,形成强粘附状态。当需要与目标表面脱离时,只需要再进行相同的动作,向下拉伸腔顶,就可以减小腔内的负压,甚至使腔内的压强大于外界压强,形成弱粘附状态来完成分离。

浙江大学航空航天学院宋吉舟教授课题组受章鱼吸盘这种生成负压的弹性能量储存机制启发,提出了一种磁驱动可开关的智能粘附设计。该设计由弹性膜隔开的双层空腔组成,上层空腔填充有磁性颗粒,下层空腔与外界相连。弹性膜的变形通过外加磁场主动调节,通过模仿章鱼吸盘腔顶的运动过程,还原了章鱼吸盘在干和湿环境下可开关调节的优异粘附性能。其表面刚度梯度的仿生设计进一步提高了该智能粘附的密封性能。测试结果表明,该设计具有优越的粘附切换能力,并且强弱粘附转换可以在500毫秒内完成,而且可以在很长时间内维持密封,重复性和耐久性都很好。借助于章鱼仿生的弹性能储存机制,这种智能粘附在持续附着在目标表面上时不需要额外的能量输入,极大地提高了能量使用效率。研究人员同时展示了该粘附设计在转移印刷和两栖抓手中的应用。该研究以题为《Elastic Energy Storage Enabled Magnetically Actuated, Octopus‐Inspired Smart Adhesive》的论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202009217)上。