*機器人抓持器的發(fā)展旨在通過(guò)可控的黏附力和摩擦力實(shí)現高效、靈活和穩定的物體操控。例如，具有強摩擦力和弱黏附力的柔性附著(zhù)墊，可以實(shí)現可靠和高效的晶圓運輸。具有光滑足墊的昆蟲(chóng)，例如蟑螂、蝗蟲(chóng)、螽斯等，可以實(shí)現高度動(dòng)態(tài)的附著(zhù)和分離，即在奔跑和跳躍等高速運動(dòng)中實(shí)現足墊的強摩擦和弱黏附。因此，理解和模擬昆蟲(chóng)光滑足墊的增摩結構可以促進(jìn)具有攀爬和抓握功能的機器人發(fā)展。

近日，南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院姬科舉副研究員/戴振東教授課題組根據仿生原理設計和制造了一種可以同時(shí)實(shí)現強摩擦力和弱黏附力的仿生柔性附著(zhù)機構，靈感來(lái)自于昆蟲(chóng)光滑足墊的內部角質(zhì)層結構。對于動(dòng)物來(lái)說(shuō)，通過(guò)足肢抓住和操縱物體，從而實(shí)現與環(huán)境之間的高效互動(dòng)對于它們的生存至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的發(fā)展，這些末端效應器，例如人類(lèi)的手、昆蟲(chóng)的腳、章魚(yú)的觸須和貓的爪等，已經(jīng)進(jìn)化出不同的結構和功能以適應環(huán)境挑戰。其中，昆蟲(chóng)因其強大的運動(dòng)能力成為了仿生機器人領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究對象。研究團隊發(fā)現昆蟲(chóng)光滑足墊的高適應性、高摩擦力和弱黏附力來(lái)自于其圓弧表面和內部樹(shù)枝狀結構的共同作用，并且其表面與內部結構的參數對于摩擦性能存在最佳值。該研究通過(guò)仿生設計原理實(shí)現了一種簡(jiǎn)單的增摩減黏柔性附著(zhù)結構設計策略，為機器人抓持器與附著(zhù)單元的設計與制造提供了新思路。

相關(guān)研究成果以“Insect-inspired design strategy for flexible attachments with strong frictional force and weak pull-off force"為題發(fā)表在國際摩擦學(xué)領(lǐng)域著(zhù)名期刊《Tribology International》上（SCI一區，Top期刊，IF=6.20）。南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院博士研究生趙家輝為第一作者，南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院姬科舉副研究員與戴振東教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委的大力支持。

本研究設計的仿生柔性墊采用硬質(zhì)模板法制備，所有模具均使用摩方精密microArch® S140（精度：10μm）光固化3D打印設備制造，制造工藝原理圖如圖1a所示。仿生柔性墊的表面粗糙度、接觸角和楊氏模量分別采用激光共聚焦顯微鏡、接觸角測試儀和萬(wàn)能拉伸試驗機進(jìn)行測試（圖1b和c）。摩擦和黏附性能由Bruker的UMT-2測得，具體步驟如圖1d和e。

圖1 a）通過(guò)模具澆筑制造仿生柔性墊的過(guò)程示意圖；b）仿生柔性墊的表面粗糙度和疏水性；c）商用PDMS的應力-應變曲線(xiàn)；d） 受抑光在試驗臺中的全反射圖；e） 本研究中使用的摩擦測量程序示意圖和測試平臺的照片。

自然界中存在著(zhù)多種不同粗糙度的表面，包括許多植物的葉子、巖石表面和樹(shù)干表皮等。昆蟲(chóng)的足墊可以很好地適應這些表面并以此為基底來(lái)為自己提供顯著(zhù)的動(dòng)力（圖2a、d和g）。這些昆蟲(chóng)的摩擦墊部分由四個(gè)半球形的跗墊（圖2b、e和h）組成，這一特征幾乎普遍存在于所有光滑的昆蟲(chóng)足墊中，包括蟋蟀和竹節蟲(chóng)等。內部結構的橫斷面掃描電鏡圖像（圖2c、f和i）顯示了昆蟲(chóng)具有均勻厚度的光滑膜狀表皮，并且在內膜層以下均勻分布著(zhù)縱向排列的樹(shù)枝狀結構。

圖2 螽斯、蝗蟲(chóng)和蟑螂的足墊結構 a、d、g）螽斯、蝗蟲(chóng)和蟑螂的攀爬抓握形態(tài)；b、e、h）足墊的腹面視圖；c、f、i）足墊接觸區域的橫截面。

為了闡明表面曲率對摩擦行為的影響，團隊設計并制備了三種曲率分別為0、10和20m-1的實(shí)心墊，分別命名為S0、S1和S2。摩擦性能測試結果顯示，隨著(zhù)表面曲率的增大，材料的角度適應性變好，并且不會(huì )出現粘滑失效現象。然而，對于實(shí)心墊來(lái)說(shuō)，表面曲率增大會(huì )使其實(shí)際接觸面積減小，從而導致摩擦力大幅度降低，結果如圖3所示。