高性能仿生可控黏附表面

20240115

科学研究和技术服务业

拟合作方应具有能够满足高性能仿生可控粘附表面改性处理的专用实验室，具有粘附测试分析相关实验设备，可完成聚合物对基底表面的改性及其宏观粘附特性测试。在改性粘附表面特性分析方面具有丰富经验，且具有相关设备，如原子力显微镜、电子扫描显微镜等，能够从宏微观角度对粘附特性进行综合分析。在可控粘附方面，有能力对粘附变化过程中粘附界面的特性有一定的分析能力，能够分析表面在不同介质中的界面分子特性。快速响应外界环境的仿生表面可以在指定环境条件下实现迅速驱动，将这种驱动运用到机械夹持中，可以实现对物体的黏附抓取与定点释放。通过调节环境光波长、光强度切换，实现仿生可控黏附表面对能量的快速感知、实现黏脱附行为的快速转换，对复合结构与微纳织构表面进行优化，并进一步评价其在不同粗糙度、亲疏水、干湿环境表面的黏脱附切换行为与快速响应调控关键控制因素。在该研究方面具有丰富经验，具有可控粘附性能综合测试试验台，拥有成套先进加工装备，可完成本研究中特定实验研究中仿生的加工，保证多次实验的一致性及可靠性，同时，能够进行不同设计表面的实验模型建立等相关实验。此外，还需要专业的表界面分析、模拟分析、装配和调试技术人员，研发资金投入等。

本项科技成果“高性能仿生可控粘附表面”所涉及的可用于大型驱动遥控机器人和快速驱动软机器人粘附面，作为一种高性能可控粘附表面，能够服务于国家的重大需求和国民经济发展等领域，具有广阔的经济社会效益。1）为仿生应用提供新思路：从自然界超黏附生物取得灵感，揭示其可控黏附与光感知形式，通过仿生学设计，实现多尺度结构复现、能量高效吸收与传导、可控黏附行为与运动方式高效切换、为设计制备高性能可控驱动仿生表面提供模型与理论设计基础，为仿生可控黏附的设计提供新方法、新工艺、新技术。2）服务国家制造业需求：本项科技成果制备可以响应制定环境条件的驱动层，并研究如何将驱动层与仿生表面高分子层进行粘结，制备新一代驱动力大、智能快速响应的仿生表面。并进一步深入优化研究各个方面的参数，使新一代仿生表面具有最佳的快速响应及驱动性能。3）满足机器人等特种装备应用：进一步通过结合机械结构设计，将制备的仿生表面应用在机械夹持等领域。最终实现在指定外界环境条件下达到仿生表面制备的机械夹手对物体进行抓取与释放。同时，该仿生表面能够应用于传感器，采集接触表面信息，完成复杂环境监测任务，提供实时的基础数据，取得较好的社会效益。 4）科普教育及知识传播：高性能仿生可控粘附表面具有良好的知识性、趣味性和传播性。因此，本项科技成果还能够面向科普教育领域，利用仿生系统平台的优点，面向中小学生、社会大众开展科普教育活动，在传播科学知识、提升全民科技素质等方面发挥重要作用。

仅限国内转让

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

本研究拟从自然界超黏附生物取得灵感，通过揭示其可控黏附与光感知形式，通过仿生学设计，实现多尺度结构复现、能量高效吸收与传导、可控黏附行为与运动方式高效切换。通过理论建模、响应因子制备、微纳结构与尺寸制造与构建，设计制备可以迅速响应制定环境条件的仿生可控黏附表面。本研究设计并制作了一种双层结构的仿生壁虎脚趾可驱动粘附面，驱动水凝胶层在近红外光（808 nm）照射后脱水体积收缩，粘附层具有类似壁虎脚趾的微观结构，可承受22.4N/cm-2的最大剪切力，实现了类似于壁虎行走过程的可逆的粘附/解吸过渡，制备出单侧照射即可抓取/释放的四臂抓手，未来有望为大型驱动遥控机器人和快速驱动软机器人的制备提供见解。此外，本研究还设计了一种高性能智能手套，其中包含的UCST型温控可逆粘附面可以产生强大的垂直和剪切粘附力、高灵敏度灯笼式结构压力传感器，具有0-130kPa的宽测试范围，其可以实时反馈接触面的温度，从而相应地调整粘附性能，并允许连续监测手指的运动和接触物体的状态，标志着仿生在传感器技术中的应用迈出了理性的一步。通过对仿生表面进行深入的改进和与功能器件的结合，使其在多方面能实现有效应用，具有生物医学，能源或环境应用的潜力。