智能粘附材料在自動化拾取、轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)、軟體爬行機(jī)器人等領(lǐng)域中有著非常重要的作用。目前報(bào)道過的智能粘附材料的粘附性切換方式主要是通過溫度、光照、電壓或者外加載荷來改變粘附材料的表面形貌和材料性質(zhì)。然而，響應(yīng)時(shí)間長、粘附性調(diào)節(jié)能力弱、應(yīng)用范圍小等不利因素限制了智能粘附材料的廣泛應(yīng)用。相比較而言，磁場驅(qū)動的智能粘附材料具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等諸多優(yōu)勢。

近期，西南交通大學(xué)的李翔宇教授課題組和師明星教授科研團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一款具有快速切換粘附性的智能粘附材料。這種智能粘附材料通過外加磁場驅(qū)動，改變智能粘附材料的表面形貌，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)物體的選擇性拾取，而且還能夠?qū)κ叭∑鸬哪繕?biāo)物體進(jìn)行釋放。同時(shí)，響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溫度和光照等驅(qū)動方式。該成果發(fā)表在國際頂級期刊Advanced Materials上。

相關(guān)論文

西南交通大學(xué)力學(xué)與航空航天學(xué)院的博士研究生趙晉生作為論文的第一作者向我們詳細(xì)地介紹了這種智能粘附材料的工作機(jī)理。在選擇性拾取過程中，通過外加磁場驅(qū)動改變智能粘附材料的表面形貌，打開或者關(guān)閉智能粘附材料的粘附性，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的選擇性拾?。辉谑叭∨c放置過程中，首先打開智能粘附材料的粘附性，將目標(biāo)物體拾取起來，當(dāng)把拾取的物體轉(zhuǎn)移到目標(biāo)位置后，再施加磁場，智能粘附材料的形貌發(fā)生改變，并且在粘附界面形成初始裂紋，從而大幅度降低智能粘附材料的粘附性，將拾取物體釋放。此外，該智能粘附材料不僅適用于干粘附情況，還適用于濕粘附情況，這也顯示該智能粘附材料對于拾取儲存在液體中的物體具有巨大的應(yīng)用前景。

趙晉生博士說，希望在將來的研究工作中，將這種智能粘附材料開發(fā)應(yīng)用于空間站。如果開發(fā)一種能實(shí)現(xiàn)可控粘附和釋放的手套或鞋子，在空間站外面工作時(shí)宇航員就能更加自由和便捷。例如在邁步的時(shí)候關(guān)閉粘附，在不邁步的時(shí)候打開粘附，以便固定地站在原地。

智能粘附材料的應(yīng)用

在論文的應(yīng)用展示部分，該智能粘附材料可以應(yīng)用于對電子芯片的拾取與放置，也可以應(yīng)用于生物醫(yī)療實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對試劑瓶的拾取與放置。同時(shí)，還展示了將置于水中的硅片進(jìn)行拾取與放置操作。

趙晉生博士還表示，該工作的成功受益于學(xué)校和學(xué)院對力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的大力支持。與此同時(shí)，李翔宇教授課題組在接觸和斷裂力學(xué)等領(lǐng)域取得過多項(xiàng)科研成果前提下，注重在理論研究的前提下開展基礎(chǔ)學(xué)科與應(yīng)用學(xué)科的交叉融合，在智能拾取與放置等領(lǐng)域取得的階段性科研成果。該工作也得到了師明星教授科研團(tuán)隊(duì)在樣品制備方面提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)，樣品的制備也是該工作最大的難點(diǎn)之一。

趙晉生博士向我們介紹，這種蘑菇狀結(jié)構(gòu)材料在21世紀(jì)初期就有報(bào)道，由于其超強(qiáng)的粘附性，這種結(jié)構(gòu)一直受到學(xué)術(shù)界的追捧和研究。目前，使用最廣泛的制備方法是采用SOI或者雙層光刻膠制備得到蘑菇狀結(jié)構(gòu)的反模，再進(jìn)行倒模得到蘑菇狀結(jié)構(gòu)材料。然而，這兩種方法不僅成本昂貴，而且結(jié)構(gòu)尺寸有所受限，并不適用于大規(guī)模的生產(chǎn)加工。

智能粘附材料的制備方法

學(xué)生作者合影（左起：譚宇、劉曉坤、魯太平、趙晉生）

此外，文獻(xiàn)報(bào)道的雙光子聚合3D打印技術(shù)也可以得到精度在微米級別的蘑菇狀結(jié)構(gòu)材料，但是這種方法也受限于成本昂貴。因此，趙晉生博士歷時(shí)3年，獨(dú)立開發(fā)出一種全新的制備方法，能夠大規(guī)模的生產(chǎn)和加工形狀各異的蘑菇狀結(jié)構(gòu)材料。該方法獲得了四項(xiàng)授權(quán)發(fā)明專利和三項(xiàng)授權(quán)實(shí)用新型專利，趙晉生博士均為第一發(fā)明人。

值得一提的是，該工作的作者均來自西南交通大學(xué)力學(xué)與航空航天學(xué)院。