聒噪夏日的傍晚，實驗室外的一隻日本艾蛛正在加緊織網，爭取趕在天黑前布下「天羅地網」，坐等食物上鉤。和往常一樣，艾蛛在堅固的結構線上紡出粘合的、可拉伸的半透明捕捉線，用作框架。蜘蛛想要捕食，就必須在短時間內一擊必殺，而捕捉線上的粘合劑塗層，就是它最可靠的絕招。半透明的捕捉線，方便其隱藏在任何的背景中，可伸縮性能幫助它應付於各種環境。然而，粘合劑「傷人」的同時，也不可避免地造成了蛛網的汙染，進而降低蛛網的捕捉能力。因此，聰明的蜘蛛會織出最小的網，降低汙染，一旦感知到接觸引起的蛛網振動後，蜘蛛會以迅雷不及掩耳盜鈴之勢，從嘴裡吐出額外的線纏住虛弱的獵物，雙管齊下，確保一擊必殺。
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蜘蛛的感知策略不僅能阻止獵物逃跑，而且還能幫助蜘蛛建立最小的網，從而將汙染降到最低。此外，蜘蛛以類似於彈弓的方式拉並迅速釋放蛛網，使得蛛網上的汙染物可藉助慣性力反彈，從而恢復蛛網的捕獲能力(圖1B)。鑑於此，蜘蛛可用珠網獨特的感知和清潔的功能，協同作用來捕捉獵物。
柔性材料製得的軟機器人，基於其可變形的身體，可以靈活地處理不可預測和不規則的任務。迄今為止，科學家已經嘗試將不同的組成部分結合起來，但在一個單一系統中實現互補的相互作用，仍然是一個挑戰。
或許，蜘蛛特殊的工作習性能給人類以啟發。而靜電學就是解決上述難題的方法之一，即使用介電彈性體和軟電極可以實現捕獲、檢測和清洗，同時它們還可以通過電路進行快速、準確的控制。因此，採用靜電可允許一個簡單的結構執行互補功能，以產生協同作用(圖1 F-H)。
圖1 ISWs工作原理。
靜電吸附俘獲
蜘蛛用它們的粘性和可拉伸的網牢牢地捕捉各種類型的獵物，那麼，人類是如何能模擬出類似的俘獲能力呢？如圖2 (A-D)所示，在離線狀態(Vapplied = 0)下，兩條線保持分離(圖2A)。當施加高壓時，離子沿每根螺紋的有機凝膠/矽橡膠界面排列，在線與線之間形成麥克斯韋應力(圖2B)。當這些線彼此靠近時，產生更強的電場導致了目標的極化。極化引起的電荷被外加電場吸引，從而ISW與靶體之間發生靜電粘附(圖2C)。
圖2 靜電吸附捕獲。
研究者發現，當ISW與水平方向的傾斜度為80 時，附著力增加了6.5倍，說明ISW在大角度傾斜度時可以獲得較大的強度。如圖2I所示，柔性材料製得的ISW，當施加50%的應變時，附著力增加了37%，同時會產生更強的電場，從而提高靜電附著力。圖2J中可見，由於結構簡單，0.2 g的ISWs就可以捕獲6.8 g的鋁板。
靜電感應傳感
人類的ISW獲得了捕獲能力後，如何獲得蜘蛛的感知能力呢？
圖3 靜電感應感知
蜘蛛利用最少的網，降低網的汙染，同樣，ISWs也裝備了該能力。如圖3 (D-E)所示，帶電目標的接近會在ISWs中產生電壓。因此，通過外部負載測量電壓確定ISW和被測目標之間的相對距離。沒有表面電荷的目標便不能被感知。在大多數情況下，接近的目標都是可以被感應到的。
圖3F中，通過在玻璃上摩擦不同的充電材料，在目標表面產生靜電荷。在1 Hz正弦波下，用0.5-1.5 cm不等的間隙距離(d)測試傳感器的感知能力(圖3G)，這些電壓能緊密地跟蹤目標的位置。此外，目標與ISW的接觸也可以被感知。在靶體的不同接近速度下，感應電壓隨著外部負載電阻的增大而增大(圖3H)。
靜電振動清洗
當ISW實現了捕獲和感知能力後，接下來就是實現清潔的能力了。如圖4 (A-C)所示，提出了基於ISWs之間靜電吸引的振動清洗。在初始狀態(Vapplied = 0)，兩個網線被分離(圖4A)。當施加高電壓時，網線通過麥克斯韋應力相互吸引(圖4B)。當施加的電壓再次接近零時，網線被釋放(圖4C)。因此，交替吸引和釋放引起了ISW的振動。當振動頻率與ISW的共振頻率相匹配時，振動幅值最大，汙染物便可以通過慣性反彈。
圖4 靜電振動清洗。
與其他汙染物相比，水滴由於表面張力大，更難去除。採用HDFS對ISWs進行全氟化降低了其表面能。同時，通過空氣等離子體處理預拉伸ISWs形成微波條紋(圖4H)，經以上處理後水的靜態接觸角由122 提高到141.3 。HDFS處理後的微皺紋使靜態接觸角從141.3 最大化到153.3 (圖4I)。圖4J顯示了，在每個ISW上的水滴，經過振動後，表面處理的ISW上的液滴輕易就被清除了。
離子蜘蛛網
是時候展現真正的技術了！如圖5A-C所示，由於線薄且透明，ISW在不同的環境(如森林、落葉、磚牆和建築地板)中能輕鬆偽裝。為了提高附著力，ISW從水平方向傾斜到80 。在初始狀態下，ISW汙染的塵埃，如聚氨酯粒子(圖5 D，i)。在清洗過程中，施加電壓的頻率被從30到60Hz掃過200秒後，覆蓋在ISW上的灰塵被明顯地清除了(圖5 D, ii)。在清洗後，ISW轉變為無外加電壓的傳感模式。當一個接近目標引起的感應電壓超過閾值電壓1 V, ISW迅速轉化為捕獲模式(圖5 D iii)。各種類型的材料，如一片葉子(0.4 g), PMMA (3.1 g)，玻璃(8.5 g)以及鋁(11 g) 被ISW的靜電附著緊緊抓住(圖5 D, iv)。完成任務後，通過對ISW施加30 Hz的交流電壓時，目標被釋放(圖5 D, V)。
圖5 離子蜘蛛網
小結
綜上所述，研究者受到蜘蛛在蜘蛛網中捕捉獵物的啟發， 在ISWs中模仿了捕捉、感知和清結的能力。通過靜電學的方法，利用矽橡膠封裝的單對離子導電有機凝膠實現了上述特性。提出的ISWs為軟機器人提供了一個設計原則，可以通過仿真自然協同功能實現機器人各部件之間的互補交互。ISWs有望在未來應用於機器人的自我清潔。
https://robotics.sciencemag.org/content/5/44/eaaz5405
來源：高分子科學前沿
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