南(nan)航《AFM》仿(fang)生(sheng)技(ji)術(shu)！振動(dong)誘(you)導仿(fang)生(sheng)結(jie)構實現亞秒(miao)級黏附(fu)/摩擦調控

研(yan)究(jiu)團(tuan)隊采(cai)用(yong)摩方(fang)精(jing)密(mi)的(de)面(mian)投(tou)影微立(li)體光(guang)刻(ke)（PμSL）3D打印技(ji)術(shu)（nanoArch^® S140 Pro，精(jing)度：10 μm），制(zhi)備了四(si)種(zhong)參(can)數(shu)（曲(qu)率(lv)半(ban)徑(jing)、接(jie)觸層厚(hou)、支(zhi)撐層直(zhi)徑(jing)和梯度化(hua)程度(du)）可(ke)調的(de)系(xi)列樣(yang)品。實驗結(jie)果(guo)顯(xian)示(shi)，該材(cai)料在(zai)測(ce)試(shi)中表(biao)現出穩定的(de)黏附(fu)與摩擦性(xing)能：黏附(fu)強(qiang)度(du)超過(guo)60.0 kPa，摩擦強(qiang)度(du)高於130.0 kPa，並(bing)在(zai)200次(ci)連續(xu)循環(huan)測(ce)試(shi)後仍保(bao)持(chi)90 %以(yi)上(shang)的(de)性(xing)能穩定性(xing)。此外，該材(cai)料在(zai)≥ 3°斜(xie)面(mian)、≥ R_a 0.8 μm的(de)粗糙(cao)表(biao)面(mian)等(deng)條件(jian)下(xia)保(bao)持(chi)穩定的(de)性(xing)能，並(bing)可耐(nai)受(shou)400 Hz/60 μm的(de)振動(dong)工(gong)況(kuang)及-60~160 ℃範圍(wei)內(nei)的(de)溫(wen)變環(huan)境（圖(tu)1,2）。

圖(tu)1. 仿(fang)生(sheng)光(guang)滑(hua)墊的(de)設(she)計(ji)與振動(dong)調(tiao)節(jie)黏附(fu)/摩擦機(ji)制示(shi)意(yi)圖(tu)。

圖(tu)2. 四(si)種關(guan)鍵(jian)結(jie)構參(can)數(shu)對其(qi)黏附(fu)/摩擦性(xing)能的(de)影響。

圖(tu)3. 不(bu)同(tong)結(jie)構在(zai)靜態/振動(dong)粗糙(cao)基(ji)底上(shang)的(de)黏附(fu)與摩擦性(xing)能對比(bi)。

進(jin)壹(yi)步(bu)研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)，仿(fang)生(sheng)曲(qu)率(lv)梯(ti)度化(hua)光滑(hua)墊結(jie)構在(zai)振動(dong)測(ce)試(shi)條件(jian)下(xia)呈(cheng)現雙模(mo)態響應(ying)和振動(dong)耐(nai)受等(deng)特(te)征(zheng)。在(zai)50 Hz/100 μm振動(dong)條件(jian)下(xia)其(qi)黏附(fu)性(xing)能由靜態時的(de)1.371 ± 0.004 N提(ti)升至3.711 ± 0.037 N，增(zeng)幅達270.68 %（模(mo)態I）；而(er)200 Hz/100 μm振動(dong)條件(jian)下(xia)，黏附(fu)力可(ke)降(jiang)至0.079 ± 0.050 N，降(jiang)幅(fu)為(wei)497.58 %（模(mo)態II）。其(qi)黏附(fu)的(de)轉(zhuan)換開(kai)關比(bi)和轉換效(xiao)率(lv)分(fen)別(bie)為(wei)46.79和97.86 %。值(zhi)得(de)註(zhu)意(yi)的(de)是，梯度(du)化(hua)設(she)計(ji)使材(cai)料在(zai)400 Hz/60 μm振動(dong)環(huan)境下(xia)仍能保持70%以(yi)上(shang)的(de)摩擦性(xing)能（圖(tu)3）。

圖(tu)4. 表(biao)面(mian)適(shi)應(ying)性(xing)與振動(dong)調(tiao)控的(de)機(ji)理分(fen)析。

機(ji)理分(fen)析方(fang)面(mian)，該結構內(nei)部(bu)沿軸向(xiang)梯(ti)度(du)排(pai)布的(de)磁(ci)性(xing)粒子(zi)形(xing)成(cheng)了“頂(ding)柔底剛"的(de)模(mo)量梯(ti)度(du)結(jie)構，有(you)效(xiao)實現界(jie)面(mian)應(ying)力的(de)均(jun)勻(yun)分布(bu)，既(ji)增強(qiang)了(le)有(you)效(xiao)黏附(fu)功(gong)，又降(jiang)低了(le)界(jie)面(mian)應(ying)變能。振動(dong)測(ce)試(shi)中的(de)力(li)與位(wei)移測(ce)試(shi)曲(qu)線和時溫等(deng)效(xiao)原(yuan)理(li)測(ce)得(de)的(de)頻(pin)率(lv)與儲(chu)存模(mo)量/損耗(hao)模(mo)量等(deng)數(shu)據(ju)分(fen)析表明(ming)，低頻(pin)振動(dong)通過(guo)彈性(xing)主導增強(qiang)附(fu)著(zhe)（模式(shi)Ⅰ），而(er)高頻(pin)振動(dong)則(ze)通過(guo)黏性(xing)耗(hao)散(san)減(jian)弱附(fu)著(zhe)（模式(shi)Ⅱ），從(cong)而能實現小(xiao)於(yu)30毫秒(miao)的(de)黏脫(tuo)附(fu)狀(zhuang)態切(qie)換(huan)，其(qi)響應(ying)速(su)度與壁(bi)虎處於(yu)同(tong)壹(yi)量級(ji)（圖(tu)4）。

圖(tu)5. 金(jin)屬(shu)、有(you)機(ji)玻(bo)璃(li)和矽(gui)片等(deng)表(biao)面(mian)的(de)無(wu)損抓放(fang)驗(yan)證，以(yi)及便攜(xie)式(shi)模(mo)塊驗證。

圖(tu)6. 與機(ji)械臂(bi)集(ji)成的(de)溫(wen)差(cha)工(gong)況(kuang)、大面(mian)積(ji)應(ying)用驗(yan)證。

在(zai)測(ce)試(shi)平臺上(shang)實現金(jin)屬(shu)、有(you)機(ji)玻(bo)璃(li)和晶(jing)圓(yuan)等(deng)材(cai)料的(de)無(wu)損黏脫(tuo)附(fu)驗證後，研(yan)究(jiu)團(tuan)隊進壹(yi)步(bu)開(kai)發出(chu)總重低於(yu)280克(ke)、成本(ben)低於(yu)50元人(ren)民(min)幣(bi)的(de)手(shou)持式(shi)操(cao)作模塊(kuai)，成(cheng)功(gong)實現了偏心基(ji)底的(de)無(wu)損搬(ban)運（圖(tu)5）。便攜(xie)式(shi)模(mo)塊同(tong)樣(yang)可集(ji)成於機(ji)械臂(bi)末(mo)端，滿足高精(jing)度、大面(mian)積(ji)的(de)作業(ye)需(xu)求（圖(tu)6）。

總結：該研究(jiu)提(ti)出的(de)“梯(ti)度分(fen)布-振動(dong)誘(you)導"協(xie)同(tong)策(ce)略，成功(gong)實現了在(zai)傾斜(xie)、粗糙(cao)、振動(dong)與變溫環(huan)境下(xia)黏附(fu)/摩擦性(xing)能的(de)穩定附(fu)著(zhe)與快(kuai)速(su)、可逆(ni)的(de)切(qie)換(huan)，提(ti)供(gong)了(le)結構黏附(fu)/摩擦材(cai)料從(cong)被動(dong)結(jie)構優(you)化(hua)到(dao)主動(dong)動(dong)態調控的(de)轉(zhuan)變，為發展適(shi)用(yong)於動(dong)態環(huan)境的(de)“智(zhi)能"末(mo)端執行(xing)器(qi)提供(gong)了(le)新的(de)思(si)路。