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500毫秒超快“开关”智能粘合剂-岩拓气凝胶

500毫秒超快“开关”智能粘合剂

智能型粘接的可切换粘接特性,是许多机械系统所期望的。自然界中动物通过复杂的表面结构或肌肉运动主动控制他们的身体上的胶粘剂的强度,从而实现快速运动或捕猎。壁虎的脚部有层状的原纤维结构,蚜虫通过肌肉驱动的干附着力进行爬行,树蛙和昆虫依靠粘液的分泌实现快速的附着和分离。但是,这些受动物粘附启发的人造胶粘剂只适用于湿润或干燥的表面,其胶粘强度开关比有限

章鱼吸盘在干、湿环境下对表面无孔粘着性能优异。借助于肌肉运动,章鱼可以轻松地控制吸盘内的压力,从而在外表面产生可调节和切换的粘合强度。章鱼吸盘具有独特的形状,它由两部分组成:盘形漏斗和空心髋臼。柔软的漏斗能保持与各种粗糙表面的接触,从而形成防水密封。复杂的肌肉组织增加髋臼腔的体积,从而降低腔压,增强腔内黏附。弹性应变储能假说解释了章鱼吸盘可以在长时间的附着过程中保持亚环境压力,而不需要通过收缩肌肉来持续消耗能量。在附着前,先将髋臼顶向下预拉,以减少空腔体积,然后放松肌肉,释放所储存的弹性能量,增加空腔体积。然而,以往的驱动方案不够节能和有效,因为它们只是模仿吸盘的形状来被动吸气,没有主动降低附着力,或者需要高电流、高电压或长时间响应。

00毫秒超快“开关”智能粘合剂"
浙江大学的宋吉舟团队报道了一种由章鱼启发的智能胶粘剂的新颖设计,该胶粘剂通过同时模仿章鱼吸盘的形态和肌肉致动来提供快速可调,可切换和高度可逆的粘合强度。该智能胶粘剂具有两个空腔,每个空腔由一个弹性膜隔开,上面的空腔充满了磁性颗粒,而下面的空腔则是空的。这种构造再现了章鱼吸盘的粘附和释放策略,通过外部磁场以类似于髋臼顶的方式主动地控制弹性膜的变形。借助于弹性的能量存储,实现了到各种异物表面的能量有效的附接。该研究以题为《Elastic Energy Storage Enabled Magnetically Actuated, Octopus‐Inspired Smart Adhesive》的论文发表在最新一期的AFM杂志。

智能胶粘剂的设计和原理

磁力驱动的智能胶粘剂由聚二甲基硅氧烷制成,由两个压模腔体和一个压模薄膜组成,其上部腔体内填充有磁性颗粒(羰基铁颗粒)。通过调节电磁铁的电流和电磁铁与胶粘剂之间的距离,可以控制磁力大小。将压模与玻璃基板密封后,移除预压磁场,可释放压模膜片中储存的弹性势能,使膜片弹回。

薄膜挠度的减小将使下腔与大气之间的负压差增大,从而产生较高的粘结强度。利用磁场控制薄膜的变形,可以实现磁力驱动、连续可调、高可逆的粘结强度。另外,采用刚性梯度设计的压模表层柔软,可改善胶粘剂与异物表面的粘合性能。

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磁驱动智能胶的粘性能研究

智能粘合剂的瞬时压力反应中,85%的降压过程可在250毫秒内完成,而整个降压过程可在500毫秒内完成。粘度变化快,是因为磁性颗粒对施加的磁场反应快,所以能很快粘附到异物表面。类似地,分离过程非常快,因此具有快速切换粘合效果。智能型粘合剂的耐久性与弹性模塑膜的疲劳寿命一致,具有重复性好、耐久性好等特点。

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在干燥和潮湿环境中的物体操纵

以章鱼为灵感设计的智能粘合剂功能丰富,实用性强,能在干燥和潮湿的环境中操作各种形状和材料的物体。实验小组在空气中完成直径为4英寸硅片的转印过程。最终,通过将 Si芯片印刷到基板上,成功回收胶粘剂,证明了胶粘剂强大的转换能力。刚度梯度设计,即使有一定的粗糙和弯曲,也能实现智能胶粘剂在不同材料不同表面上的密封能力。智能粘合剂还可在潮湿条件下,利用磁铁有效地粘附或与目标表面分离。为进一步研究胶粘剂的长期密封性,对不同粗糙度表面进行了悬挂试验。当玻璃表面干燥光滑时,胶粘剂可在100分钟内保持良好的密封状态。得益于章鱼启发的能量储存机制,这种智能粘合剂在握住各种物体时不需要额外的能量输入。

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该团队研制出一种由磁力驱动通过能量储存机制驱动的智能胶水。独特的软表面层设计,可增强粘结剂在异物表面的粘结性和密封性,达到持久粘结效果。机械分析结果与实验结果基本吻合,为磁性智能胶的粘接强度提供了简单的缩放规律。此外,强弱粘结剂的转换可以在几百毫秒内完成。由于弹性体膜的大变形,该智能粘合剂不仅能在水里使用,而且能在空气中使用。本文提出的智能粘合系统概念,适用于需要在干燥、潮湿环境中可切换的广泛应用领域,包括柔性电子转移印花,以及具有不同粗糙度、不同弯曲度的刚性和可变形衬底的两栖软机器人操纵器。

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