仿生分子毛發(fā)聚合物實現(xiàn)粗糙表面超強可逆粘附，助力爬壁機器人技術(shù)新突破

在爬壁機器人的研發(fā)過程中，如何在垂直或倒置表面上實現(xiàn)牢固附著與輕松分離一直是核心挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的粘附策略如磁力吸附、靜電吸附和真空吸附分別受限于材料磁性、導(dǎo)電表面需求以及表面光滑度等因素。受壁虎腳趾微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)的仿生粘附劑因其依賴范德華力而能適應(yīng)各種表面，展現(xiàn)出巨大潛力。然而，現(xiàn)有仿生微結(jié)構(gòu)粘附劑在粗糙表面上面臨著表面適應(yīng)性差、低預(yù)壓力下粘附強度不足以及制備工藝復(fù)雜等關(guān)鍵難題，嚴重制約了爬壁機器人在真實復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用。

針對上述挑戰(zhàn)，四川大學(xué)蒲偉教授、孔米秋副研究員合作，報告了一種受壁虎啟發(fā)、帶有“分子毛發(fā)”的支化聚合物（PMVS-ODT）粘附劑。該粘附劑通過在聚硅氧烷主鏈上接枝可結(jié)晶的十八硫醇側(cè)鏈，實現(xiàn)了在粗糙表面上的超強可逆粘附。其核心優(yōu)勢在于：出色的表面適應(yīng)性、在極低預(yù)壓力（約0.3 kPa）下高達280.6 kPa的超強粘附強度、極低的脫附力（1.3 kPa），以及可定制形狀的大面積制造能力。將該材料嵌入機器人足墊后，所研制的表面自適應(yīng)機器人能夠在從光滑到粗糙的多種垂直表面上穩(wěn)定攀爬。相關(guān)論文以“Ultra-strong reversible adhesion for climbing robots on rough surfaces by molecular-hair polymer”為題，發(fā)表在Matter上，并被Nature作為研究亮點報道。

該粘附劑的核心設(shè)計在于其模仿壁虎剛毛微觀結(jié)構(gòu)的“分子毛發(fā)”。如圖1所示，研究團隊將PMVS-ODT材料嵌入表面自適應(yīng)機器人的足墊中，使其能夠在粗糙表面上實現(xiàn)垂直攀爬。其工作原理是：通過溫度調(diào)控分子毛發(fā)的熔融與結(jié)晶。當加熱至32°C以上時，結(jié)晶的ODT側(cè)鏈熔化，材料模量急劇下降至極低值（1.97 kPa），在微小預(yù)壓力下即可與粗糙表面實現(xiàn)共形接觸；降溫后，ODT側(cè)鏈重新結(jié)晶，材料模量回升至149.3 MPa，將共形接觸狀態(tài)“鎖定”，并通過增強的范德華力和納米級分子間相互作用產(chǎn)生超強粘附。與傳統(tǒng)PDMS仿生蘑菇狀微柱陣列相比，PMVS-ODT在光滑表面的粘附強度提升了9.3倍，在粗糙表面更是驚人地提升了126.0倍。

圖1. 能夠與粗糙表面形成共形接觸的仿壁虎粘附劑 (A) 表面自適應(yīng)機器人 (SAR) 的仿生學(xué)原理。比例尺，1米。 (B) SAR足墊在不同粗糙度表面上實現(xiàn)共形接觸的示意圖。比例尺，1.5毫米和5毫米。 (C) 在0°C下，PDMS仿壁虎蘑菇狀粘附劑陣列（詳見補充信息）與初始為平坦的PMVS-ODT在光滑玻璃表面和粗糙表面（算術(shù)平均粗糙度Ra = 3.4 μm）上的粘附強度對比。 (D) 交聯(lián)PMVS-ODT的示意圖，其分子毛發(fā)通過降溫結(jié)晶可接觸并強粘附于粗糙表面，加熱時則可輕松脫附。

為實現(xiàn)與粗糙表面的共形接觸，研究團隊對PMVS-ODT的浸潤性和模量調(diào)控能力進行了表征（圖2）。結(jié)果顯示，PMVS-ODT在42°C時對玻璃和鋁合金等多種表面具有優(yōu)異的浸潤性（接觸角<50°）。其儲能模量在50°C時可低至1.97 kPa，遠低于模量基本不變的PDMS，從而在1.2 kPa的預(yù)壓力下即可完美貼合波形鋁合金表面。通過在機器人足墊中集成陶瓷加熱片和液體冷卻通道，可實現(xiàn)對PMVS-ODT模量的可逆調(diào)控。加熱至53.5°C使其變?yōu)橥该魅彳洃B(tài)，冷卻至16.0°C后則恢復(fù)為白色剛性態(tài)，循環(huán)周期約388秒，最終實現(xiàn)與鋁合金表面從厘米到微米尺度的近乎完美的共形接觸。

圖2. SAR足墊的設(shè)計與共形接觸 (A) 不同溫度下水的接觸角在PMVS-ODT上的變化，以及PMVS-ODT在不同表面上的接觸角。 (B) PMVS-ODT和PDMS的儲能模量及其在25°C和50°C時與鋁合金表面的共形能力。 (C) SAR足墊（右圖）及其足部結(jié)構(gòu)（左圖）。 (D) 足墊中心溫度隨時間的變化。當足墊完全透明（100秒后），停止加熱并啟動水循環(huán)。 (E) 在(D)中標記的時間和溫度下，使用光學(xué)（上）和紅外（下）相機拍攝的圖像。 (F) PMVS-ODT與不同粗糙度表面共形接觸的常規(guī)和激光顯微鏡圖像。比例尺，1厘米和1毫米。

PMVS-ODT的合成路徑簡潔且可規(guī)模化，其粘附機理通過實驗和分子動力學(xué)模擬得到深入揭示（圖3）。合成過程基于硅氧烷的開環(huán)聚合和高效的硫醇-烯點擊化學(xué)反應(yīng)。差示掃描量熱法和X射線衍射證實了ODT側(cè)鏈在25°C以下結(jié)晶、32°C以上熔融的可逆相變行為，這是材料模量可大幅調(diào)控（剛度可調(diào)比達76,000）的基礎(chǔ)。動態(tài)力學(xué)分析表明，其儲能模量可從-15°C時的149.3 MPa變化至77°C時的1.97 kPa。分子動力學(xué)模擬進一步闡明，在高于熔點的溫度下，PMVS-ODT的分子鏈能夠有效填充粗糙二氧化硅表面的納米級凹槽，實現(xiàn)微觀共形接觸。當溫度從高溫降至0°C時，界面間的相互作用能顯著降低，表明形成了穩(wěn)定且能量更低的粘附界面，這歸因于分子鏈構(gòu)象的調(diào)整和與基底更緊密的結(jié)合。

圖3. PMVS-ODT的性能與粘附機理 (A) PMVS-ODT的合成路線和分子結(jié)構(gòu)圖。 (B) PMVS-ODT在25°C和50°C下的原位XRD圖譜。 (C) 通過DSC表征的PMVS-ODT結(jié)晶與熔融曲線。 (D) PMVS-ODT的儲能模量隨溫度的變化。 (E) 通過分子動力學(xué)模擬獲得的PMVS-ODT與粗糙二氧化硅（標記為“R-SiO2”）之間的相互作用能隨溫度（從高溫降至0°C）的變化函數(shù)。

PMVS-ODT展現(xiàn)出了卓越的粘附性能（圖4）。在僅5 mN的超低預(yù)壓力下，其對不同粗糙度鋁合金表面的粘附強度均在280 kPa左右，遠優(yōu)于對比的PDMS微結(jié)構(gòu)粘附劑。與其他仿生粘附劑相比，PMVS-ODT在極低預(yù)壓力下實現(xiàn)了最高的粘附強度（1020 kPa/N），且其剛度可調(diào)比和粘附系數(shù)（粘附強度/模量）均處于領(lǐng)先水平。該材料還表現(xiàn)出優(yōu)異的熱開關(guān)特性，在0°C時粘附強度可達280.6 kPa，而在100°C時幾乎為零（1.3 kPa），開關(guān)比高達216，優(yōu)于多數(shù)已報道的可切換粘附材料。此外，PMVS-ODT對玻璃、聚酰亞胺、鋁合金等多種材料均表現(xiàn)出穩(wěn)定的強粘附，且在500次循環(huán)粘附-脫附測試后，其粘附強度仍穩(wěn)定在281.7 ± 6.7 kPa，展示了優(yōu)異的耐久性。

圖4. PMVS-ODT的粘附性能 (A) 在5 mN預(yù)壓力下，PMVS-ODT在不同粗糙度鋁合金表面的粘附強度。 (B) 仿壁虎粘附劑的預(yù)壓力及其對應(yīng)粘附強度的比較（數(shù)據(jù)點顏色隨粘附強度增加按黃、紅、紫、藍、青依次變化。對應(yīng)數(shù)據(jù)列于表S1）。 (C) 剛度可調(diào)粘附劑的剛度可調(diào)范圍與粘附系數(shù)的比較（數(shù)據(jù)列于表S2）。 (D) 從0°C到100°C的粘附開關(guān)特性。 (E) 粘附可切換材料的粘附強度與粘附開關(guān)比的比較（數(shù)據(jù)列于表S3）。 (F) 在5 mN預(yù)壓力下，PMVS-ODT在不同基材上的粘附強度。 (G) PMVS-ODT在溫度變化下，經(jīng)過500次粘附循環(huán)后粘附強度的變化。

最終，研究團隊將PMVS-ODT足墊集成至一臺重880克的四足表面自適應(yīng)機器人上，展示了其實際應(yīng)用潛力（圖5）。機器人足部集成了獨立的加熱與冷卻模塊，通過程序化控制實現(xiàn)粘附與脫附。在一個攀爬周期中，機器人按照“左前-右后-右前-左后”的順序移動足部，每步可向上行進約6.5厘米。實驗視頻證實，該機器人能夠成功地在垂直的光滑玻璃、粗糙玻璃、粗糙木材、粗糙鋁合金和粗糙鋼材表面穩(wěn)定攀爬，甚至能懸掛于鋁合金天花板下方，充分證明了其基于PMVS-ODT粘附劑的強大環(huán)境適應(yīng)能力。

圖5. SAR的系統(tǒng)與應(yīng)用 (A) SAR系統(tǒng)的示意圖。 (B) SAR系統(tǒng)的實物圖。 (C) SAR的步態(tài)，如文中所述。 (D-H) SAR粘附在(D) 光滑玻璃、(E) 粗糙玻璃、(F) 粗糙木材、(G) 粗糙鋁合金和(H) 粗糙鋼材表面的照片。

總結(jié)與展望：本研究通過巧妙的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，開發(fā)出具有“分子毛發(fā)”的仿生聚合物PMVS-ODT，成功解決了仿生粘附劑在粗糙表面上粘附力弱、適應(yīng)性差的關(guān)鍵難題。該材料集超強粘附、易脫附、低預(yù)壓力需求、可大規(guī)模制備等優(yōu)點于一身，為爬壁機器人、機器人抓手、對接系統(tǒng)乃至太空在軌服務(wù)等領(lǐng)域提供了全新的技術(shù)方案。盡管目前機器人攀爬速度受限于材料導(dǎo)熱性導(dǎo)致的較長冷卻時間，以及大尺寸足墊可能存在的應(yīng)力集中問題，但未來可通過引入導(dǎo)熱填料、優(yōu)化足墊幾何結(jié)構(gòu)（如采用六邊形分區(qū)設(shè)計）和調(diào)控交聯(lián)劑比例等策略加以解決。這項研究為開發(fā)下一代高性能、多功能的仿生粘附材料及機器人系統(tǒng)開辟了新的道路。