智能型粘接的可切換粘接特性，是許多機械系統所期望的。自然界中動物通過複雜的表面結構或肌肉運動主動控制他們的身體上的膠粘劑的強度，從而實現快速運動或捕獵。壁虎的腳部有層狀的原纖維結構，蚜蟲通過肌肉驅動的幹附著力進行爬行，樹蛙和昆蟲依靠粘液的分泌實現快速的附著和分離。但是，這些受動物粘附啟發的人造膠粘劑只適用於溼潤或乾燥的表面，其膠粘強度開關比有限。
章魚吸盤在幹、溼環境下對表面無孔粘著性能優異。藉助於肌肉運動，章魚可以輕鬆地控制吸盤內的壓力，從而在外表面產生可調節和切換的粘合強度。章魚吸盤具有獨特的形狀，它由兩部分組成：盤形漏鬥和空心髖臼。柔軟的漏鬥能保持與各種粗糙表面的接觸，從而形成防水密封。複雜的肌肉組織增加髖臼腔的體積，從而降低腔壓，增強腔內黏附。彈性應變儲能假說解釋了章魚吸盤可以在長時間的附著過程中保持亞環境壓力，而不需要通過收縮肌肉來持續消耗能量。在附著前，先將髖臼頂向下預拉，以減少空腔體積，然後放鬆肌肉，釋放所儲存的彈性能量，增加空腔體積。然而，以往的驅動方案不夠節能和有效，因為它們只是模仿吸盤的形狀來被動吸氣，沒有主動降低附著力，或者需要高電流、高電壓或長時間響應。
浙江大學的宋吉舟團隊報導了一種由章魚啟發的智能膠粘劑的新穎設計，該膠粘劑通過同時模仿章魚吸盤的形態和肌肉致動來提供快速可調，可切換和高度可逆的粘合強度。該智能膠粘劑具有兩個空腔，每個空腔由一個彈性膜隔開，上面的空腔充滿了磁性顆粒，而下面的空腔則是空的。這種構造再現了章魚吸盤的粘附和釋放策略，通過外部磁場以類似於髖臼頂的方式主動地控制彈性膜的變形。藉助於彈性的能量存儲，實現了到各種異物表面的能量有效的附接。該研究以題為《Elastic Energy Storage Enabled Magnetically Actuated, OctopusInspired Smart Adhesive》的論文發表在最新一期的AFM雜誌。
1
智能膠粘劑的設計和原理
磁力驅動的智能膠粘劑由聚二甲基矽氧烷製成，由兩個壓模腔體和一個壓模薄膜組成，其上部腔體內填充有磁性顆粒(羰基鐵顆粒)。通過調節電磁鐵的電流和電磁鐵與膠粘劑之間的距離，可以控制磁力大小。將壓模與玻璃基板密封后，移除預壓磁場，可釋放壓模膜片中儲存的彈性勢能，使膜片彈回。
薄膜撓度的減小將使下腔與大氣之間的負壓差增大，從而產生較高的粘結強度。利用磁場控制薄膜的變形，可以實現磁力驅動、連續可調、高可逆的粘結強度。另外，採用剛性梯度設計的壓模表層柔軟，可改善膠粘劑與異物表面的粘合性能。
圖1. 彈性儲能技術實現了章魚啟發的磁驅動智能粘合劑。
2
磁驅動智能膠的粘性能研究
在智能粘合劑的瞬時壓力反應中，85%的降壓過程可在250毫秒內完成，而整個降壓過程可在500毫秒內完成。粘度變化快，是因為磁性顆粒對施加的磁場反應快，所以能很快粘附到異物表面。類似地，分離過程非常快，因此具有快速切換粘合效果。智能型粘合劑的耐久性與彈性模塑膜的疲勞壽命一致，具有重複性好、耐久性好等特點。
圖2. 受章魚啟發的智能粘合劑的粘合特性。
3
在乾燥和潮溼環境中的物體操縱
以章魚為靈感設計的智能粘合劑功能豐富，實用性強，能在乾燥和潮溼的環境中操作各種形狀和材料的物體。實驗小組在空氣中完成直徑為4英寸矽片的轉印過程。最終，通過將 Si晶片印刷到基板上，成功回收膠粘劑，證明了膠粘劑強大的轉換能力。剛度梯度設計，即使有一定的粗糙和彎曲，也能實現智能膠粘劑在不同材料不同表面上的密封能力。智能粘合劑還可在潮溼條件下，利用磁鐵有效地粘附或與目標表面分離。為進一步研究膠粘劑的長期密封性，對不同粗糙度表面進行了懸掛試驗。當玻璃表面乾燥光滑時，膠粘劑可在100分鐘內保持良好的密封狀態。得益於章魚啟發的能量儲存機制，這種智能粘合劑在握住各種物體時不需要額外的能量輸入。
圖3. 以章魚為靈感的智能粘合劑的演示。在乾燥和潮溼的環境中，用來轉移印刷和處理具有不同表面的普通物體。
4
結語
該團隊研製出一種由磁力驅動通過能量儲存機制驅動的智能膠水。獨特的軟表面層設計，可增強粘結劑在異物表面的粘結性和密封性，達到持久粘結效果。機械分析結果與實驗結果基本吻合，為磁性智能膠的粘接強度提供了簡單的縮放規律。此外，強弱粘結劑的轉換可以在幾百毫秒內完成。由於彈性體膜的大變形，該智能粘合劑不僅能在水裡使用，而且能在空氣中使用。本文提出的智能粘合系統概念，適用於需要在乾燥、潮溼環境中可切換的廣泛應用領域，包括柔性電子轉移印花，以及具有不同粗糙度、不同彎曲度的剛性和可變形襯底的兩棲軟機器人操縱器。
作者：致遠 來源：高分子科學前沿