可调附着力的机器人技术：形状记忆聚合物的应用

来自 实验室仪器网

最近的一项研究提出了一类嵌入纳米针头的新型形状记忆聚合物（SMP）表面。发表在《自然通讯》上

这些表面具有可调节的纳米级粗糙度，可在多个尺度上实现可调节的干粘附力。目标是改进胶粘剂系统，使其能够在大型和小型表面上可靠地在牢固附着和易于脱模之间切换。

这项研究强调了对能够主动调整其粘合特性的材料的需求不断增长。这些功能在机器人和生物医学应用中特别有用。

为了实现可切换的粘附力，研究人员创建了密密布有纳米针尖的SMP表面。这些纳米针尖用于控制粗糙度。该工艺始于在氢氧化钾（KOH）中对硅晶片进行各向异性湿法蚀刻，以形成纳米级金字塔尖端。这用作创建纹理表面的模具。

将硬质聚二甲基硅氧烷（H-PDMS）浇铸到硅模具上以产生负片复制品。然后将环氧树脂基SMP前驱体倒入H-PDMS模具中，形成具有热响应性和约200nmRMS粗糙度的表面。这种粗糙度是必不可少的。在橡胶状态下，它限制了粘附力。在玻璃状状态下，它增加了接触和粘附。

SMP表面会随着温度的变化而改变形状。当在高于其玻璃化转变温度（Tg），纳米针尖变平，增加接触面积（粘附）。重新加热可恢复粗糙度，减少接触（脱粘）。

为了测试性能，该团队使用了玻璃半球探头和称重传感器。使用氧化铟锡（ITO）玻璃基板进行焦耳热来调节温度。有限元分析（FEA）还用于了解粗糙度和刚度如何影响附着力。

实验和模拟都表明，纳米SMP表面具有高度的粘附开关性。它在橡胶状态和玻璃状态之间实现了1000多倍的差异。

以上Tg，SMP保持柔软并保留其粗糙的结构。这导致了较小的接触面积和非常低的粘附力。当冷却到以下时Tg在预载荷作用下，表面变硬并适应接触物体的形状。纳米针尖变平，增加了接触面积和粘附力。

归一化接触面积数据证实，粗糙度的增加会大大降低软状态下的附着力。大约200nm的RMS粗糙度提供了最佳平衡——柔软时附着力低，刚性时附着力强。

粘附效果稳定且可重复。表面在20多次热循环中保持了其性能，没有明显的磨损或粘附损失。

该表面也适用于各种材料：玻璃、亚克力、硅片、木材，甚至湿织物。在较小的规模上，它实现了精确、无损坏的处理。例如，它成功地转移了5μm硅微片和200nm氮化硅（Si3N4）油墨。

这些微物体在冷却状态下粘附牢固，并且在重新加热时很容易释放，证明与二维（2D）和三维（3D）微结构兼容。

为了展示实际用途，研究人员将SMP表面与六轴机械臂集成在一起。热电帕尔贴模块允许快速加热和冷却。这种设置可以在涉及纸张、曲面玻璃瓶和集成电路的拾取和放置任务中实现编程粘合切换。

在微加工中，SMP表面有助于构建透明且灵活的microLED显示器。它将商用microLED芯片从载带转移到PDMS基板上。受控的加热和对准确保了正确放置，同时保持了设备性能。

在医疗应用中，这种方法可以支持药物输送贴片，这些贴片在使用过程中牢固粘连，但释放时不会疼痛。微转印工艺还提供了一种可扩展的方式来生产轻量级的可穿戴设备。

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