是时候展现真正的技术了！人造蜘蛛网登上《Science》头条！集感知、捕获、清洁等功能于一体！

　　聒噪夏日的傍晚，实验室外的一只日本艾蛛正在加紧织网，争取赶在天黑前布下“天罗地网”，坐等食物上钩。和往常一样，艾蛛在坚固的结构线上纺出粘合的、可拉伸的半透明捕捉线，用作框架。蜘蛛想要捕食，就必须在短时间内一击必杀，而捕捉线上的粘合剂涂层，就是它最可靠的绝招。半透明的捕捉线，方便其隐藏在任何的背景中，可伸缩性能帮助它应付于各种环境。然而，粘合剂“伤人”的同时，也不可避免地造成了蛛网的污染，进而降低蛛网的捕捉能力。因此，聪明的蜘蛛会织出最小的网，降低污染，一旦感知到接触引起的蛛网振动后，蜘蛛会以迅雷不及掩耳盗铃之势，从嘴里吐出额外的线缠住虚弱的猎物，双管齐下，确保一击必杀。

　　登上《Science》网站滚动头条

　　蜘蛛的感知策略不仅能阻止猎物逃跑，而且还能帮助蜘蛛建立最小的网，从而将污染降到最低。此外，蜘蛛以类似于弹弓的方式拉并迅速释放蛛网，使得蛛网上的污染物可借助惯性力反弹，从而恢复蛛网的捕获能力(图1B)。鉴于此，蜘蛛可用珠网独特的感知和清洁的功能，协同作用来捕捉猎物。

　　柔性材料制得的软机器人，基于其可变形的身体，可以灵活地处理不可预测和不规则的任务。迄今为止，科学家已经尝试将不同的组成部分结合起来，但在一个单一系统中实现互补的相互作用，仍然是一个挑战。

　　或许，蜘蛛特殊的工作习性能给人类以启发。而静电学就是解决上述难题的方法之一，即使用介电弹性体和软电极可以实现捕获、检测和清洗，同时它们还可以通过电路进行快速、准确的控制。因此，采用静电可允许一个简单的结构执行互补功能，以产生协同作用(图1 F-H)。

　　图1 ISWs工作原理。

　　近日，来自韩国首尔国立大学的Young Kim & Jeong-Yun Sun等研究者模拟了基于离子蜘蛛网(ISWs)中的静电原理的蜘蛛捕获策略 (图1A-C)。ISW以可拉伸的离子导电有机凝胶为材料，用硅橡胶包封成一束状制备而成(图1D)。该有机凝胶由共价交联聚丙烯酰胺(PAAm)链和乙二醇(EG)溶解氯化锂(LiCl)组成(图1E)。等离子蚀刻和(十七氟-1,1,2,2-四氢癸基)三氯硅烷(HDFS) 处理显著提高了清洗能力，防止了有机凝胶的蒸发，进而提升了ISWs的耐久性 。此外，与 蜘蛛网的结构线类似，尼龙丝用作ISWs的框架，以增强其力学性能 。该研究成果以题为“Ionic spiderwebs”的论文发表在《Science Robotics》上（见文后原文链接）。

　　静电吸附俘获

　　蜘蛛用它们的黏性和可拉伸的网牢牢地捕捉各种类型的猎物，那么，人类是如何能模拟出类似的俘获能力呢？如图2 (A-D)所示，在离线状态(Vapplied = 0)下，两条线保持分离(图2A)。当施加高压时，离子沿每根螺纹的有机凝胶/硅橡胶界面排列，在线与线之间形成麦克斯韦应力(图2B)。当这些线彼此靠近时，产生更强的电场导致了目标的极化。极化引起的电荷被外加电场吸引，从而ISW与靶体之间发生静电粘附(图2C)。

　　图2 静电吸附捕获。

　　研究者发现，当ISW与水平方向的倾斜度为80时，附着力增加了6.5倍，说明ISW在大角度倾斜度时可以获得较大的强度。如图2I所示，柔性材料制得的ISW，当施加50%的应变时，附着力增加了37%，同时会产生更强的电场，从而提高静电附着力。图2J中可见，由于结构简单，0.2 g的ISWs就可以捕获6.8 g的铝板。

　　

　　静电振动清洗

　　当ISW实现了捕获和感知能力后，接下来就是实现清洁的能力了。如图4 (A-C)所示，提出了基于ISWs之间静电吸引的振动清洗。在初始状态(Vapplied = 0)，两个网线被分离(图4A)。当施加高电压时，网线通过麦克斯韦应力相互吸引(图4B)。当施加的电压再次接近零时，网线被释放(图4C)。因此，交替吸引和释放引起了ISW的振动。当振动频率与ISW的共振频率相匹配时，振动幅值最大，污染物便可以通过惯性反弹。

　　图4 静电振动清洗。

　　与其他污染物相比，水滴由于表面张力大，更难去除。采用HDFS对ISWs进行全氟化降低了其表面能。同时，通过空气等离子体处理预拉伸ISWs形成微波条纹(图4H)，经以上处理后水的静态接触角由122提高到141.3。HDFS处理后的微皱纹使静态接触角从141.3最大化到153.3(图4I)。图4J显示了，在每个ISW上的水滴，经过振动后，表面处理的ISW上的液滴轻易就被清除了。

　　离子蜘蛛网

　　是时候展现真正的技术了！ 如图5A-C所示，由于线薄且透明，ISW在不同的环境(如森林、落叶、砖墙和建筑地板)中能轻松伪装。为了提高附着力，ISW从水平方向倾斜到80。在初始状态下，ISW污染的尘埃，如聚氨酯粒子(图5 D，i)。在清洗过程中，施加电压的频率被从30到60Hz扫过200秒后，覆盖在ISW上的灰尘被明显地清除了(图5 D, ii)。在清洗后，ISW转变为无外加电压的传感模式。当一个接近目标引起的感应电压超过阈值电压1 V, ISW迅速转化为捕获模式(图5 D iii)。各种类型的材料，如一片叶子(0.4 g), PMMA (3.1 g)，玻璃(8.5 g)以及铝(11 g) 被ISW的静电附着紧紧抓住(图5 D, iv)。完成任务后，通过对ISW施加30 Hz的交流电压时，目标被释放(图5 D, V)。

　　图5 离子蜘蛛网

　　小结

　　综上所述，研究者受到蜘蛛在蜘蛛网中捕捉猎物的启发， 在ISWs中模仿了捕捉、感知和清结的能力。通过静电学的方法，利用硅橡胶封装的单对离子导电有机凝胶实现了上述特性。提出的ISWs为软机器人提供了一个设计原则，可以通过仿真自然协同功能实现机器人各部件之间的互补交互。ISWs有望在未来应用于机器人的自我清洁。

　　https://robotics.sciencemag.org/content/5/44/eaaz5405

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