聒噪夏日的傍晚,实验室外的一只日本艾蛛正在加紧织网,争取赶在天黑前布下“天罗地网”,坐等食物上钩。和往常一样,艾蛛在坚固的结构线上纺出粘合的、可拉伸的半透明捕捉线,用作框架。蜘蛛想要捕食,就必须在短时间内一击必杀,而捕捉线上的粘合剂涂层,就是它最可靠的绝招。半透明的捕捉线,方便其隐藏在任何的背景中,可伸缩性能帮助它应付于各种环境。然而,粘合剂“伤人”的同时,也不可避免地造成了蛛网的污染,进而降低蛛网的捕捉能力。因此,聪明的蜘蛛会织出最小的网,降低污染,一旦感知到接触引起的蛛网振动后,蜘蛛会以迅雷不及掩耳盗铃之势,从嘴里吐出额外的线缠住虚弱的猎物,双管齐下,确保一击必杀。
蜘蛛的感知策略不仅能阻止猎物逃跑,而且还能帮助蜘蛛建立最小的网,从而将污染降到最低。此外,蜘蛛以类似于弹弓的方式拉并迅速释放蛛网,使得蛛网上的污染物可借助惯性力反弹,从而恢复蛛网的捕获能力(图1B)。鉴于此,蜘蛛可用珠网独特的感知和清洁的功能,协同作用来捕捉猎物。
柔性材料制得的软机器人,基于其可变形的身体,可以灵活地处理不可预测和不规则的任务。迄今为止,科学家已经尝试将不同的组成部分结合起来,但在一个单一系统中实现互补的相互作用,仍然是一个挑战。
或许,蜘蛛特殊的工作习性能给人类以启发。而静电学就是解决上述难题的方法之一,即使用介电弹性体和软电极可以实现捕获、检测和清洗,同时它们还可以通过电路进行快速、准确的控制。因此,采用静电可允许一个简单的结构执行互补功能,以产生协同作用(图1 F-H)。
近日,来自韩国首尔国立大学的Young Kim & Jeong-Yun Sun等研究者模拟了基于离子蜘蛛网(ISWs)中的静电原理的蜘蛛捕获策略(图1A-C)。ISW以可拉伸的离子导电有机凝胶为材料,用硅橡胶包封成一束状制备而成(图1D)。该有机凝胶由共价交联聚丙烯酰胺(PAAm)链和乙二醇(EG)溶解氯化锂(LiCl)组成(图1E)。等离子蚀刻和(十七氟-1,1,2,2-四氢癸基)三氯硅烷(HDFS)处理显著提高了清洗能力,防止了有机凝胶的蒸发,进而提升了ISWs的耐久性。此外,与蜘蛛网的结构线类似,尼龙丝用作ISWs的框架,以增强其力学性能。该研究成果以题为“Ionic spiderwebs”的论文发表在《Science Robotics》上(见文后原文链接)。
静电吸附俘获
蜘蛛用它们的粘性和可拉伸的网牢牢地捕捉各种类型的猎物,那么,人类是如何能模拟出类似的俘获能力呢?
如图2 (A-D)所示,在离线状态(Vapplied = 0)下,两条线保持分离(图2A)。当施加高压时,离子沿每根螺纹的有机凝胶/硅橡胶界面排列,在线与线之间形成麦克斯韦应力(图2B)。当这些线彼此靠近时,产生更强的电场导致了目标的极化。极化引起的电荷被外加电场吸引,从而ISW与靶体之间发生静电粘附(图2C)。
研究者发现,当ISW与水平方向的倾斜度为80˚时,附着力增加了6.5倍,说明ISW在大角度倾斜度时可以获得较大的强度。如图2I所示,柔性材料制得的ISW,当施加50%的应变时,附着力增加了37%,同时会产生更强的电场,从而提高静电附着力。图2J中可见,由于结构简单,0.2 g的ISWs就可以捕获6.8 g的铝板。
静电感应传感
人类的ISW获得了捕获能力后,如何获得蜘蛛的感知能力呢?
蜘蛛利用最少的网,降低网的污染,同样,ISWs也装备了该能力。如图3 (D-E)所示,带电目标的接近会在ISWs中产生电压。因此,通过外部负载测量电压确定ISW和被测目标之间的相对距离。没有表面电荷的目标便不能被感知。在大多数情况下,接近的目标都是可以被感应到的。
图3F中,通过在玻璃上摩擦不同的充电材料,在目标表面产生静电荷。在1 Hz正弦波下,用0.5-1.5 cm不等的间隙距离(d)测试传感器的感知能力(图3G),这些电压能紧密地跟踪目标的位置。此外,目标与ISW的接触也可以被感知。在靶体的不同接近速度下,感应电压随着外部负载电阻的增大而增大(图3H)。
静电振动清洗
当ISW实现了捕获和感知能力后,接下来就是实现清洁的能力了。如图4 (A-C)所示,提出了基于ISWs之间静电吸引的振动清洗。在初始状态(Vapplied = 0),两个网线被分离(图4A)。当施加高电压时,网线通过麦克斯韦应力相互吸引(图4B)。当施加的电压再次接近零时,网线被释放(图4C)。因此,交替吸引和释放引起了ISW的振动。当振动频率与ISW的共振频率相匹配时,振动幅值最大,污染物便可以通过惯性反弹。
与其他污染物相比,水滴由于表面张力大,更难去除。采用HDFS对ISWs进行全氟化降低了其表面能。同时,通过空气等离子体处理预拉伸ISWs形成微波条纹(图4H),经以上处理后水的静态接触角由122˚提高到141.3˚。HDFS处理后的微皱纹使静态接触角从141.3˚最大化到153.3˚(图4I)。图4J显示了,在每个ISW上的水滴,经过振动后,表面处理的ISW上的液滴轻易就被清除了。
离子蜘蛛网
是时候展现真正的技术了!如图5A-C所示,由于线薄且透明,ISW在不同的环境(如森林、落叶、砖墙和建筑地板)中能轻松伪装。为了提高附着力,ISW从水平方向倾斜到80˚。在初始状态下,ISW污染的尘埃,如聚氨酯粒子(图5 D,i)。在清洗过程中,施加电压的频率被从30到60Hz扫过200秒后,覆盖在ISW上的灰尘被明显地清除了(图5 D, ii)。在清洗后,ISW转变为无外加电压的传感模式。当一个接近目标引起的感应电压超过阈值电压1 V, ISW迅速转化为捕获模式(图5 D iii)。各种类型的材料,如一片叶子(0.4 g), PMMA (3.1 g),玻璃(8.5 g)以及铝(11 g) 被ISW的静电附着紧紧抓住(图5 D, iv)。完成任务后,通过对ISW施加30 Hz的交流电压时,目标被释放(图5 D, V)。
小结
综上所述,研究者受到蜘蛛在蜘蛛网中捕捉猎物的启发, 在ISWs中模仿了捕捉、感知和清结的能力。通过静电学的方法,利用硅橡胶封装的单对离子导电有机凝胶实现了上述特性。提出的ISWs为软机器人提供了一个设计原则,可以通过仿真自然协同功能实现机器人各部件之间的互补交互。ISWs有望在未来应用于机器人的自我清洁。
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