*機器人抓持器的發(fā)展旨在通過可控的黏附力和摩擦力實現(xiàn)高效、靈活和穩(wěn)定的物體操控。例如，具有強摩擦力和弱黏附力的柔性附著墊，可以實現(xiàn)可靠和高效的晶圓運輸。具有光滑足墊的昆蟲，例如蟑螂、蝗蟲、螽斯等，可以實現(xiàn)高度動態(tài)的附著和分離，即在奔跑和跳躍等高速運動中實現(xiàn)足墊的強摩擦和弱黏附。因此，理解和模擬昆蟲光滑足墊的增摩結(jié)構(gòu)可以促進具有攀爬和抓握功能的機器人發(fā)展。
近日，南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院姬科舉副研究員/戴振東教授課題組根據(jù)仿生原理設(shè)計和制造了一種可以同時實現(xiàn)強摩擦力和弱黏附力的仿生柔性附著機構(gòu)，靈感來自于昆蟲光滑足墊的內(nèi)部角質(zhì)層結(jié)構(gòu)。對于動物來說，通過足肢抓住和操縱物體，從而實現(xiàn)與環(huán)境之間的高效互動對于它們的生存至關(guān)重要。經(jīng)過億萬年的發(fā)展，這些末端效應(yīng)器，例如人類的手、昆蟲的腳、章魚的觸須和貓的爪等，已經(jīng)進化出不同的結(jié)構(gòu)和功能以適應(yīng)環(huán)境挑戰(zhàn)。其中，昆蟲因其強大的運動能力成為了仿生機器人領(lǐng)域的熱點研究對象。研究團隊發(fā)現(xiàn)昆蟲光滑足墊的高適應(yīng)性、高摩擦力和弱黏附力來自于其圓弧表面和內(nèi)部樹枝狀結(jié)構(gòu)的共同作用，并且其表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的參數(shù)對于摩擦性能存在最佳值。該研究通過仿生設(shè)計原理實現(xiàn)了一種簡單的增摩減黏柔性附著結(jié)構(gòu)設(shè)計策略，為機器人抓持器與附著單元的設(shè)計與制造提供了新思路。
相關(guān)研究成果以“Insect-inspired design strategy for flexible attachments with strong frictional force and weak pull-off force"為題發(fā)表在國際摩擦學(xué)領(lǐng)域著名期刊《Tribology International》上（SCI一區(qū)，Top期刊，IF=6.20）。南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院博士研究生趙家輝為第一作者，南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院姬科舉副研究員與戴振東教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委的大力支持。
本研究設(shè)計的仿生柔性墊采用硬質(zhì)模板法制備，所有模具均使用摩方精密microArch® S140（精度：10μm）光固化3D打印設(shè)備制造，制造工藝原理圖如圖1a所示。仿生柔性墊的表面粗糙度、接觸角和楊氏模量分別采用激光共聚焦顯微鏡、接觸角測試儀和萬能拉伸試驗機進行測試（圖1b和c）。摩擦和黏附性能由Bruker的UMT-2測得，具體步驟如圖1d和e。
圖1 a）通過模具澆筑制造仿生柔性墊的過程示意圖；b）仿生柔性墊的表面粗糙度和疏水性；c）商用PDMS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；d） 受抑光在試驗臺中的全反射圖；e） 本研究中使用的摩擦測量程序示意圖和測試平臺的照片。
自然界中存在著多種不同粗糙度的表面，包括許多植物的葉子、巖石表面和樹干表皮等。昆蟲的足墊可以很好地適應(yīng)這些表面并以此為基底來為自己提供顯著的動力（圖2a、d和g）。這些昆蟲的摩擦墊部分由四個半球形的跗墊（圖2b、e和h）組成，這一特征幾乎普遍存在于所有光滑的昆蟲足墊中，包括蟋蟀和竹節(jié)蟲等。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橫斷面掃描電鏡圖像（圖2c、f和i）顯示了昆蟲具有均勻厚度的光滑膜狀表皮，并且在內(nèi)膜層以下均勻分布著縱向排列的樹枝狀結(jié)構(gòu)。
圖2 螽斯、蝗蟲和蟑螂的足墊結(jié)構(gòu) a、d、g）螽斯、蝗蟲和蟑螂的攀爬抓握形態(tài)；b、e、h）足墊的腹面視圖；c、f、i）足墊接觸區(qū)域的橫截面。
為了闡明表面曲率對摩擦行為的影響，團隊設(shè)計并制備了三種曲率分別為0、10和20m-1的實心墊，分別命名為S0、S1和S2。摩擦性能測試結(jié)果顯示，隨著表面曲率的增大，材料的角度適應(yīng)性變好，并且不會出現(xiàn)粘滑失效現(xiàn)象。然而，對于實心墊來說，表面曲率增大會使其實際接觸面積減小，從而導(dǎo)致摩擦力大幅度降低，結(jié)果如圖3所示。
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