地球上的生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中逐漸練就了一身特殊的本領(lǐng)，例如壁虎、蜥蜴、蜘蛛等不僅能在垂直墻壁上運(yùn)動(dòng)自如，即使頭部向下也能在樹上或天花板上停留和爬行。是什么使壁虎擁有如此超強(qiáng)的黏附力呢？
近年來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)探尋到了壁虎粘性的秘密，壁虎的腳趾存在弧狀褶皺，有人認(rèn)為粘附力來(lái)源于褶皺的吸力或抓握，但從電鏡下可以看出褶皺上存在微米級(jí)的纖維，這些纖維與表面直接接觸，使吸引力加大，從而形成了牢固的附著力。
科學(xué)家們受壁虎的啟發(fā)，已經(jīng)在用于抓取物體的橡膠材料中開發(fā)出了模擬壁虎腳趾的粘性，但是目前為止，無(wú)法將這種技術(shù)批量生產(chǎn)以用于人們的日常生活。
近期，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的Michael?Varenberg教授首次報(bào)道了一種具有成本效益的制造具有”壁虎粘性”表面的干式粘合劑的新方法，制作方法簡(jiǎn)單而且可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，并將其應(yīng)用到日常生活中。研究人員基于該干式粘合劑制備了一種簡(jiǎn)單抓取器，可以對(duì)日常的各種物體進(jìn)行拾放，大大優(yōu)于現(xiàn)有的模制類似物。這種具有壁虎粘性的表面有望用于在屋頂或高樓大廈等建筑外墻的工作。
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的聚合物層均勻地涂覆在基板上；再將成排的剃須刀片浸入聚合物層中；然后將刀片從聚合物中拉出，通過(guò)調(diào)控拉出的距離、速度和時(shí)間來(lái)控制微結(jié)構(gòu)的表面形態(tài)；最后，使刀片相對(duì)于基材保持不動(dòng)，直到聚合物完全固化，取出刀片，即可在表面留下了微米級(jí)的凹槽，從而得到具有”壁虎粘性”的微結(jié)構(gòu)化表面。
基于壁虎粘性表面的抓取器
這種具有”壁虎粘性”的表面可用來(lái)制造用途極廣的抓取器，與現(xiàn)有的只能抓取單一物品的抓取器相比，研究人員制造的基于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(jī)這樣的扁平物體，也可以舉起雞蛋和蔬菜等形狀不規(guī)則的物體，而且其表面是干燥的，不含任何膠水或粘液。該技術(shù)有望改進(jìn)甚至取代現(xiàn)有的單一功能的抓取器。
實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定
這種壁虎粘性表面的強(qiáng)粘附性主要來(lái)自表面上短而松軟的微結(jié)構(gòu)，雖然這種新方法制作簡(jiǎn)單，甚至能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，但整個(gè)開發(fā)過(guò)程卻耗時(shí)一年多，需要對(duì)聚合物的粘度，刀片拉出的時(shí)間、速度和距離等參數(shù)進(jìn)行細(xì)微的調(diào)節(jié)和確定。
刀片浸漬/拉伸時(shí)間的確定
為了向上拉高襟翼并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(píng)估了PVS和PU的粘度，發(fā)現(xiàn)二者表現(xiàn)出不同的固化行為，隨后通過(guò)調(diào)控時(shí)間變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定了PVS和PU的浸漬/拉伸時(shí)間分別約為50/70 s和1080/1200 s。
刀片拉出距離的影響
刀片拉出距離對(duì)襟翼的高度有著重要影響，如圖3a所示，刀片提起后，只要聚合物未完全固化就會(huì)下沉，在刀片表面殘留一層跡線，這層跡線會(huì)隨著刀片的取出而被撕下，導(dǎo)致襟翼降低。
因此，要想精確調(diào)控襟翼高度，必須對(duì)殘缺部分進(jìn)行校正，圖5b給出了襟翼的估計(jì)高度，撕裂的尺寸會(huì)隨著拉深距離的增加而增加，最后趨于平穩(wěn)，因此用理論的襟翼高度（圖5c實(shí)線）減去撕裂高度（圖5b虛線），即可得出實(shí)際的襟翼高度（圖5c虛線）。
刀片拉出速度的影響
在刀片的拉出過(guò)程中，若拉伸速度較快會(huì)導(dǎo)致在更大的粘性力作用于聚合物層，因此研究人員探究了拉伸速度對(duì)襟翼厚度的影響。盡管PVS和PU的粘度和浸漬/拉伸時(shí)間差異很大，但從圖6可以看出，所有數(shù)據(jù)都落在一條具有兩個(gè)不同區(qū)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于其他固化聚合物，對(duì)多種固化聚合物具有普適性。
在本篇文章中，研究人員首次實(shí)現(xiàn)了具有高靈活性和成本效益的干粘合劑，制作方法簡(jiǎn)單且具有可擴(kuò)展性，研究人員通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)控來(lái)控制制造過(guò)程，使其適合批量生產(chǎn)。這種干粘合劑微結(jié)構(gòu)的性能比傳統(tǒng)模塑工藝更好，而且抓握過(guò)程不需要高精度的控制即可運(yùn)行。我們相信這項(xiàng)技術(shù)將為抓取器和干粘合劑的發(fā)展提供新的方向，并為工業(yè)和家庭使用的商業(yè)化抓取器開辟新的道路！
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