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          新型仿生粘合材料實現量產

          來源:智匯工業

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          A+ A-

          所屬頻道:新聞中心

          關鍵詞:新型仿生粘合材料 粘合材料

            為什么壁虎能爬上摩天大樓?因為它們的腳趾幾乎能粘住任何東西。工程師們早已知道壁虎腳粘性的秘密,并模仿這一功能制造了能抓取和釋放物體的橡膠條狀材料。但到目前為止,他們沒有實現大規模生產這類材料,以及投入日常應用。

            受壁虎腳的啟發,喬治亞理工學院的研究人員在一項新的研究中發表了一種制作粘合材料的方法,該方法比已有的方法更加經濟,可以實現批量生產。它或許可以用于制造多功能的抓手,應用于制造業和家用。


            這種具有壁虎腳附著力的聚合物,用于制造用途極為廣泛的抓手,即使是同一條裝配線生產的抓手,也可以拾取截然不同的物體。它們可以同時粘在墻上和畫上,很容易懸掛物體。具有壁虎附著力的吸塵器機器人,有朝一日或可以爬上高層建筑,清潔外墻。


            該研究的主要研究人員、佐治亞理工學院的助理教授Michael Varenberg說:“除了特氟?。ň哂袧櫥饔茫┲惖臇|西,它什么都能粘。這在制造業中是一個優勢,因為我們不必為不同的物體表面,準備不同的抓握工具。這種受壁虎啟發研發出的粘合劑,可以舉起盒子等扁平物體,也能拿起雞蛋和蔬菜之類的彎曲物體?!?/span>


            目前,裝配線上的抓具如磁鐵和吸盤,都只能舉起一定范圍內的物體?;诒诨⒛_趾表面做成的抓具是干燥的,不含膠水或粘膠,可以替代多種抓具或者填補其他抓持工具的空白。


            這一材料的粘附力來自幾百微米大小的突起,看起來就像一片短而松軟的壁,它們在材料的表面呈相互平行排列。目前,模塑技術能制造出中等規模的粘附壁,方法是將原料倒入模板,讓它們混合并發生反應,形成一種柔韌的聚合物,然后將它從模具中取出,但這種方法并不方便。Varenberg說:“模塑技術是一種昂貴又耗時的過程。材料在脫模時會出現一些問題,影響粘附表面的質量?!?/span>


            研究人員的新方法是將材料傾倒在一個光滑的表面上,當聚合物部分凝固后,將一排排實驗室刀片插入其中。材料在刀片周圍會稍稍溢出,當拉出刀片后,會留下微米級的缺口,而這些缺口會被粘附壁包圍。這一研究發表于ACS Applied Materials&Interfaces。雖然新方法比模塑技術更容易,但其開發過程也花費了一年的時間,包括浸入材料、拉出成型以及在電鏡下重新調整材料復雜的細節。


            Varenberg說:“要控制的參數很多:液體的粘度和溫度;撤出刀片的時間、速度和距離。我們需要使固化的聚合物具有足夠的可塑性,能沿著刮刀壁向上拉伸。同時材料的剛性不能過高,這會導致粘附壁撕裂?!鄙a的材料在微米級甚至在納米級上也具有良好的形態,雖然模塑技術制成材料通常更精準,但不必刻意追求完美。用新方法制成的材料效果很好,而且堅固耐用。


            “很多研究員認為這種模擬壁虎粘附力的材料只能在干凈的環境和設備,才能進行展示。但是,我們的材料在正常環境下就能正常工作。它簡單又耐用,在工業和家用中具有良好的應用潛力?!盫arenberg表示,他主攻自然的表面材料,并通過模仿它們的優點來制造人造材料。


            研究人員發現壁虎的腳趾上有隆起,因此一些人認為它們的腳是靠吸力或是依靠某種形式的皮膚來抓握和粘附物體的。但是電子顯微鏡揭示出其中更深層的結構——刮刀狀剛毛原纖維從這些脊突中伸出幾十微米。這些纖絲與低至納米量級的表面結構充分接觸,兩者原子間較弱的吸引力會大幅疊加,形成了整體牢固的附著力。


            工程師們開發出了成排相互覆蓋的材料替代纖毛,產生粘附效果。一種常見的形狀是材料的表面看起來像數百個微米大小的蘑菇群;另一種則是像上述研究中的材料,表面呈現為一排排短壁狀結構。


            “蘑菇形式材料接觸一個表面后能直接粘附,但并不方便分離,需要施加很大的力量,”Varenberg說,“壁狀形式的材料使用時只需要較小的剪切力,類似拖動或輕抓來產生粘附,但它使用起來很容易,也容易與物體分離?!?/span>


            Varenberg等人制作了U型和V型的粘附壁,使用的材料是聚苯乙烯硅氧烷(PVS)和聚氨酯(PU)。用PVS制造的V型效果最好,但是PU制造的材料適合工業應用。因此,Vanenberg等人正致力于實現利用PU材料,制造V型壁虎抓握結構。


            (審核編輯: 智匯小新)

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