南航《AFM》仿生技术！3D打印振动诱导仿生结构实现亚秒级黏附/摩擦调控

     南京航空航天大学姬科举副研究员/戴振东教授团队受蝗虫、蝈蝈等昆虫在倾斜甚至倒立树枝上稳定爬行机制的启发，基于其足垫所具有的圆弧状表面和内部树枝状结构，开发出一种仿生梯度化曲率光滑垫结构。该结构在保有多界面适应性的同时，成功通过振动调控实现了黏附/摩擦性能的亚秒级黏脱切换。相关研究成果以“Ultrafast Adhesion/Friction Bidirectionally Switchable Control by Vibration”为题，发表在《Advanced Functional Materials》期刊，为机器人灵巧操作、精密设备制造等领域中长期存在的“强附着”与“快释放”难以兼容的难题提供了一种创新解决方案。

研究团队采用摩方精密的面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch® S140 Pro，精度：10 μm），制备了四种参数（曲率半径、接触层厚、支撑层直径和梯度化程度）可调的系列样品。实验结果显示，该材料在测试中表现出稳定的黏附与摩擦性能：黏附强度超过60.0 kPa，摩擦强度高于130.0 kPa，并在200次连续循环测试后仍保持90 %以上的性能稳定性。此外，该材料在≥ 3°斜面、≥ Ra 0.8 μm的粗糙表面等条件下保持稳定的性能，并可耐受400 Hz/60 μm的振动工况及-60~160 ℃范围内的温变环境（图1,2）。

进一步研究表明，仿生曲率梯度化光滑垫结构在振动测试条件下呈现双模态响应和振动耐受等特征。在50 Hz/100 μm振动条件下其黏附性能由静态时的1.371 ± 0.004 N提升至3.711 ± 0.037 N，增幅达270.68 %（模态I）；而200 Hz/100 μm振动条件下，黏附力可降至0.079 ± 0.050 N，降幅为497.58 %（模态II）。其黏附的转换开关比和转换效率分别为46.79和97.86 %。值得注意的是，梯度化设计使材料在400 Hz/60 μm振动环境下仍能保持70%以上的摩擦性能（图3）。

机理分析方面，该结构内部沿轴向梯度排布的磁性粒子形成了“顶柔底刚”的模量梯度结构，有效实现界面应力的均匀分布，既增强了有效黏附功，又降低了界面应变能。振动测试中的力与位移测试曲线和时温等效原理测得的频率与储存模量/损耗模量等数据分析表明，低频振动通过弹性主导增强附着（模式Ⅰ），而高频振动则通过黏性耗散减弱附着（模式Ⅱ），从而能实现小于30毫秒的黏脱附状态切换，其响应速度与壁虎处于同一量级（图4）。

在测试平台上实现金属、有机玻璃和晶圆等材料的无损黏脱附验证后，研究团队进一步开发出总重低于280克、成本低于50元人民币的手持式操作模块，成功实现了偏心基底的无损搬运（图5）。便携式模块同样可集成于机械臂末端，满足高精度、大面积的作业需求（图6）。

总结：该研究提出的“梯度分布-振动诱导”协同策略，成功实现了在倾斜、粗糙、振动与变温环境下黏附/摩擦性能的稳定附着与快速、可逆的切换，提供了结构黏附/摩擦材料从被动结构优化到主动动态调控的转变，为发展适用于动态环境的“智能”末端执行器提供了新的思路。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202516421