西南交通大学李翔宇教授、师明星教授《AM》：通过磁场驱动的智能粘附材料

智能粘附材料已经广泛地应用于自动化装配系统、智能拾取与放置系统以及软体爬行机器人等领域。目前，粘附性可调控的粘附材料主要以改变表面结构形貌和材料化学性质等方式实现。形状记忆聚合物或者光敏材料在改变环境温度或者强光照射的情况下，驱动粘附材料的结构形貌发生改变。然而，温度和光照的调控方式通常需要较长的响应时间。此外，电压驱动的粘附材料只适用于干粘附的情况，在湿粘附的情况下存在很大局限性。因此，开发一种响应速度快、粘附性调节能力强、应用范围广的粘附材料对于智能拾取与放置系统是十分重要的。

西南交通大学李翔宇教授和师明星教授领导的课题组近期通过将蘑菇状结构粘附材料和硬磁软材料相结合，开发出一种采用外加磁场驱动以控制表面结构的智能粘附材料。这种智能粘附材料通过表面结构的改变，能够实现在选择性拾取操作和拾取与放置操作中进行快速精确地切换粘附性。智能粘附材料的粘附性调节能力最高能够达到20倍以上，响应时间在0.5秒以内，可应用于干燥或者潮湿的工作环境中。相关研究成果以“Smart Adhesive via Magnetic Actuation”为题发表在《 Advanced Materials》上。第一作者为博士研究生赵晋生。

图1. 磁场驱动的智能粘附材料的工作机理

图1展示了磁场驱动的智能粘附的工作机理。智能粘附材料的结构主要以蘑菇状为基础，分为端头、连接柱体和基底三个部分，端头还包括外伸的梁结构。端头的材料是在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中掺杂有钕铁硼（NdFeB）硬磁颗粒的复合材料，连接柱体和基底的材料是没有掺杂NdFeB的PDMS。在脉冲强磁场的作用下，端头材料内的磁性颗粒发生定向磁化（例如磁化方向沿着梁的轴向）。在智能粘附材料的使用过程中，梁结构在外加磁场的驱动下发生弯曲变形。如图1A所示，当外加磁场向下时，梁结构向下弯曲，当外加磁场向上时，梁结构向上弯曲。根据以上驱动变形方式，可以实现智能粘附材料的粘附性切换功能。

如图1B所示，智能粘附材料在预载荷的作用下和目标物体（玻璃基底）发生接触并粘附。当需要将智能粘附材料和目标物体分离时，施加向上的外加磁场，梁结构向上弯曲变形，在粘附界面产生初始裂纹。此时，仅需很小的拔开力就可以实现智能粘附材料和目标物体的分离。以上工作机理实现了粘附性强弱之间的有效转换。强粘附性适用于拾取目标物，弱粘附性适用于释放目标物。

图2. 智能粘附材料的结构和材料设计策略

基于上述工作机理，需要对智能粘附材料进行结构和材料设计（图2）。结构设计策略指出智能粘附材料和玻璃基底的分离形式需要满足边缘裂纹失效形式。同时，材料设计策略给出在NdFeB硬磁颗粒的掺杂体积分数为25%时，外加磁场对梁结构的驱动性能达到最佳状态。通过复合材料的断面微观结构形貌表征可以发现，25%体积分数的NdFeB硬磁颗粒在PDMS中分布地更加均匀和饱满。此外，阵列排布的智能粘附材料能够实现弯曲、扭转、拉伸等大变形，具有广阔的应用前景。

图3. 预加载位移的大小和目标物体的材料对智能粘附材料的粘附性影响

在验证智能粘附材料的粘附性调节性能前，需要考虑预加载位移大小和目标物体材料对粘附性的影响。经过实验测试，预加载位移设定为20微米，目标物体的材料选择二氧化硅玻璃。

图4. 智能粘附材料的粘附性调节能力测试

该智能粘附材料可以应用于选择性拾取过程和智能拾取与放置过程。选择性拾取过程就是按照使用者的意愿在拾取目标物体前“关闭”或者“打开”智能粘附材料的粘附能力。通过实验研究发现，当外加磁场的方向向上并且磁场强度达到+100 mT时，最大拔开力的调节范围可以达到20倍。智能拾取与放置过程就是将拾取的目标物体进行释放。通过实验研究发现，当外加磁场的方向向上并且磁场强度达到+300 mT时，最大拔开力的调节范围可以达到5倍以上。同时，该智能粘附材料具有良好的使用耐久性，可以应用于干粘附或者湿粘附的工作环境。

图5. 智能粘附材料的应用

该智能粘附材料可以应用于微电子芯片的拾取与放置，也可以应用于实验室对试剂瓶和硅片等物体的拾取与放置。

视频1. 智能粘附材料在干粘附工作环境下对试剂瓶的拾取与放置

视频2. 智能粘附材料在湿粘附工作环境下对硅片的拾取与放置

小结：这项研究提出了一种通过磁场驱动的智能粘附材料的策略。通过结构和材料设计，开发出一种粘附性可切换的智能粘附材料。该粘附材料具有相应速度快、粘附性调节性能强、应用范围广等特点，在自动化装配系统、智能拾取与放置系统以及软体爬行机器人等领域具有广阔的应用前景。

该研究受到了国家自然基金（Nos.: 12072297，12192210和12192211）和西南交通大学高层次人才项目扬华计划（2019）的支持。

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！