历经一年！有望让你拥有壁虎一样的超能力，科学家实现仿壁虎脚粘性表面的批量生产

　　地球上的生物在长期进化过程中逐渐练就了一身特殊的本领，例如壁虎、蜥蜴、蜘蛛等不仅能在垂直墙壁上运动自如，即使头部向下也能在树上或天花板上停留和爬行。是什么使壁虎拥有如此超强的黏附力呢？

　　近年来，科学家们已经探寻到了壁虎粘性的秘密，壁虎的脚趾存在弧状褶皱，有人认为粘附力来源于褶皱的吸力或抓握，但从电镜下可以看出褶皱上存在微米级的纤维，这些纤维与表面直接接触，使吸引力加大，从而形成了牢固的附着力。

　　科学家们受壁虎的启发，已经在用于抓取物体的橡胶材料中开发出了模拟壁虎脚趾的粘性，但是目前为止，无法将这种技术批量生产以用于人们的日常生活。

　　近期， 美国佐治亚理工学院的 Michael Varenberg教授 首次报道了一种 具有成本效益的制造具有"壁虎粘性"表面的干式粘合剂的新方法 ，制作方法简单而且 可以实现大规模生产，并将其应用到日常生活中 。 研究人员基于该干式粘合剂制备了一种简单抓取器，可以对日常的各种物体进行拾放，大大优于现有的模制类似物。这种具有壁虎粘性的表面有望用于在屋顶或高楼大厦等建筑外墙的工作。

　　具有"壁虎粘性"表面的制备

　　如图1所示，研究人员首先将PU或PVS的聚合物层均匀地涂覆在基板上；再将成排的剃须刀片浸入聚合物层中；然后将刀片从聚合物中拉出，通过调控拉出的距离、速度和时间来控制微结构的表面形态；最后，使刀片相对于基材保持不动，直到聚合物完全固化，取出刀片，即可在表面留下了微米级的凹槽，从而得到具有"壁虎粘性"的微结构化表面。

　　图1. "壁虎粘性"表面的制备过程

　　基于壁虎粘性表面的抓取器

　　这种具有"壁虎粘性"的表面可用来制造用途极广的抓取器，与现有的只能抓取单一物品的抓取器相比， 研究人员制造的基于壁虎粘性表面的抓取器则可以粘上除特氟龙之外的任何东西。

　　如图2、3所示，既可以提起像手机这样的扁平物体，也可以举起鸡蛋和蔬菜等形状不规则的物体，而且其表面是干燥的，不含任何胶水或粘液。该技术有望改进甚至取代现有的单一功能的抓取器。

　　图2. 壁虎粘性表面对手机的提放

　　图3. 壁虎粘性表面对鸡蛋和蔬菜的提放

　　实验参数的确定

　　这种壁虎粘性表面的强粘附性主要来自表面上短而松软的微结构，虽然这种新方法制作简单，甚至能实现大规模生产，但整个开发过程却耗时一年多，需要对聚合物的粘度，刀片拉出的时间、速度和距离等参数进行细微的调节和确定。

　　刀片浸渍/拉伸时间的确定

　　为了向上拉高襟翼并在聚合物下沉前完全固化，聚合物必须具有一定的粘度。如图4所示，研究人员评估了PVS和PU的粘度，发现二者表现出不同的固化行为，随后通过调控时间变量进行实验，确定了PVS和PU的浸渍/拉伸时间分别约为50/70 s和1080/1200 s。

　　图4. 刀片浸渍/拉伸时间的确定实验

　　刀片拉出距离的影响

　　刀片拉出距离对襟翼的高度有着重要影响，如图3a所示，刀片提起后，只要聚合物未完全固化就会下沉，在刀片表面残留一层迹线，这层迹线会随着刀片的取出而被撕下，导致襟翼降低。

　　因此，要想精确调控襟翼高度，必须对残缺部分进行校正，图5b给出了襟翼的估计高度，撕裂的尺寸会随着拉深距离的增加而增加，最后趋于平稳，因此用理论的襟翼高度（图5c实线）减去撕裂高度（图5b虚线），即可得出实际的襟翼高度（图5c虚线）。

　　图5. 刀片拉出距离对襟翼高度的影响

　　刀片拉出速度的影响

　　在刀片的拉出过程中，若拉伸速度较快会导致在更大的粘性力作用于聚合物层，因此研究人员探究了拉伸速度对襟翼厚度的影响。尽管PVS和PU的粘度和浸渍/拉伸时间差异很大，但从图6可以看出，所有数据都落在一条具有两个不同区域的总曲线上，显示出良好的一致性。这表明 该方法可以适用于其他固化聚合物，对多种固化聚合物具有普适性。

　　图6. 刀片拉出速度对襟翼的影响

　　在本篇文章中，研究人员首次实现了具有高灵活性和成本效益的干粘合剂，制作方法简单且具有可扩展性，研究人员通过对实验参数的调控来控制制造过程，使其适合批量生产。这种干粘合剂微结构的性能比传统模塑工艺更好，而且抓握过程不需要高精度的控制即可运行。我们相信这项技术将为抓取器和干粘合剂的发展提供新的方向，并为工业和家庭使用的商业化抓取器开辟新的道路！

　　https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c01812

　　来源：高分子科学前沿

　　声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！