“壁虎脚”功能的表面材料可实现轻松量产

翻译：曾欣欣 来源：中国数字科技馆

蓝色部分所示的柔性壁，高数百微米，模仿壁虎足部表面结构来产生类似的粘合力——但通过这种方法产生的粘性要比动物爪子上的强得多。 （图片来源:乔治亚理工学院/瓦伦伯格实验室）

为什么壁虎要爬上摩天大楼？因为它可以，壁虎的脚趾几乎能粘住任何东西。工程师们早已知道壁虎脚尖粘性的秘密，并模仿这一功能，将其应用到抓取和释放物体的橡胶条状材料中，但目前为止，大规模生产这类材料用于简单的日常使用却一直难以实现。

乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究人员在一项新的研究中受壁虎启发开发出了一种制作粘合材料的方法，该方法比目前的方法更具成本效益，可以实现批量生产，并可以将多功能抓手条扩展到制造业和家用。

具有“壁虎附着力”表面的聚合物可用于制造用途极为广泛的抓手，即使在同一条装配线上，也可以拾取截然不同的物体。他们可以同时粘在墙上和画上，让挂画变得很容易。具有壁虎附着力的吸尘器机器人有朝一日可以爬上高层建筑清洁外墙。

“除了特氟隆之类的东西，它什么都能粘。这在制造业中是一个明显的优势，因为我们不必为要举起的特定表面准备抓具。受壁虎启发的粘合剂可以举起盒子等扁平物体，也能拿起鸡蛋和蔬菜之类的弯曲物体。”该研究的主要研究员，佐治亚理工学院乔治·伍德拉夫机械工程学院的助理教授Michael Varenberg称。

目前装配线上的夹具（例如夹具，磁铁和吸盘）都只能举起某些限定范围内的物体。基于受壁虎启发的表面做成的抓具是干燥的，不含胶水或粘胶，可以替代多种抓具，或者只是填补其他抓持工具的能力空缺。

取出刀片

粘附力来自几百微米大小的突起，通常看起来就像一片短而松软的壁，在材料的表面相互平行排列。下面将对它们是如何通过模仿壁虎足部实现功能进行解释。

目前为止，模塑技术制造出了中等尺度规模的粘附壁，方法是将原料倒入模板，让混合物发生反应，形成一种柔韧的聚合物，然后将它从模具中取出。但这种方法并不方便。

“模塑技术是昂贵且耗时的过程。该材料脱模时也存在一些问题，会影响粘附表面的质量。”Varenberg称。

研究人员的新方法是将材料倾倒在光滑的表面而非模具上，让聚合物部分凝固，然后将一排排实验室刀片浸入其中。材料在刀片周围稍稍溢出，随后拉出刀片，留下微米级的缺口，这些缺口就被所需的粘附壁包围。

Varenberg和第一作者Jae-Kang Kim在ACS Applied Materials＆Interfaces杂志上发表了他们新方法的相关细节。

完美难寻

虽然新方法比注塑容易，但开发过程花费了一年，其中包括材料浸渍、拉出成型以及根据电镜下细节重新调整方法。

“要控制的参数很多：液体的粘度和温度；撤出刀片的时间、速度和收回的距离。我们需要使固化聚合物具有足够的可塑性，以使刮刀壁向上拉伸，而不希望过分的刚性，导致粘附壁撕裂。”Varenberg说道。

受壁虎启发的表面在微米级甚至有时在纳米级上也具有良好的形貌，而通过注塑制成的表面通常是最精确的。但是，不必追求这种完美。用新方法制成的材料效果很好，而且坚固耐用。

“很多研究员都要求在净间中使用洁净设备进行壁虎粘附力（材料）的展示。我们的系统在正常环境下即正常工作。它简单又耐用，在工业和家用中具有良好的应用潜力。”Varenberg表示，他主攻自然表面的研究，模仿其优点并应用在人造材料中。

壁虎脚绒毛

观察壁虎的脚，脚趾上有隆起的部分，使得过去的一些人认为它们的脚是靠吸力或是依靠某种形式的皮肤抓握而粘附的。

但是电子显微镜揭示出更深层的结构——刮刀状刚毛原纤维从这些脊突伸出几十微米长。纤丝与低至纳米层级的表面结构充分接触，两者原子间的弱吸引力大幅叠加，形成了整体牢固的附着力。

工程师们开发出了成排的形状相互覆盖的材料去代替绒毛，产生粘附效果。一种常见的形状是材料的表面看起来像几百微米大小的蘑菇田；另一种则是像本研究中那样的一排排短壁。

“使用蘑菇图案接触一个表面，它们直接粘附在一起，但不便分离，要求施加强力。”Varenberg说，“墙壁形状的凸出物需要较小的剪切力，类似拖动或轻抓的动作来产生粘附，但这很容易，分离物体也不复杂。”

Varenberg的研究团队使用抽出的方式制作了U型空间的墙和V型空间的粘附壁。他们使用聚苯乙烯硅氧烷(PVS)和聚氨酯(PU)进行研究。用PVS制造的V型效果最好，但是PU是更好的工业材料，所以Vanenberg的团队正致力于实现使用PU和V型壁虎抓握图案的最佳组合。