被Nature亮点报道！受壁虎启发，四川大学开发出超强可逆粘合剂，登上顶刊Matter！

仿生分子毛发聚合物实现粗糙表面超强可逆粘附，助力爬壁机器人技术新突破

在爬壁机器人的研发过程中，如何在垂直或倒置表面上实现牢固附着与轻松分离一直是核心挑战。传统的粘附策略如磁力吸附、静电吸附和真空吸附分别受限于材料磁性、导电表面需求以及表面光滑度等因素。受壁虎脚趾微观结构启发的仿生粘附剂因其依赖范德华力而能适应各种表面，展现出巨大潜力。然而，现有仿生微结构粘附剂在粗糙表面上面临着表面适应性差、低预压力下粘附强度不足以及制备工艺复杂等关键难题，严重制约了爬壁机器人在真实复杂环境中的应用。

针对上述挑战，四川大学蒲伟教授、孔米秋副研究员合作，报告了一种受壁虎启发、带有“分子毛发”的支化聚合物（PMVS-ODT）粘附剂。该粘附剂通过在聚硅氧烷主链上接枝可结晶的十八硫醇侧链，实现了在粗糙表面上的超强可逆粘附。其核心优势在于：出色的表面适应性、在极低预压力（约0.3 kPa）下高达280.6 kPa的超强粘附强度、极低的脱附力（1.3 kPa），以及可定制形状的大面积制造能力。将该材料嵌入机器人足垫后，所研制的表面自适应机器人能够在从光滑到粗糙的多种垂直表面上稳定攀爬。相关论文以“Ultra-strong reversible adhesion for climbing robots on rough surfaces by molecular-hair polymer”为题，发表在Matter上，并被Nature作为研究亮点报道。

该粘附剂的核心设计在于其模仿壁虎刚毛微观结构的“分子毛发”。如图1所示，研究团队将PMVS-ODT材料嵌入表面自适应机器人的足垫中，使其能够在粗糙表面上实现垂直攀爬。其工作原理是：通过温度调控分子毛发的熔融与结晶。当加热至32°C以上时，结晶的ODT侧链熔化，材料模量急剧下降至极低值（1.97 kPa），在微小预压力下即可与粗糙表面实现共形接触；降温后，ODT侧链重新结晶，材料模量回升至149.3 MPa，将共形接触状态“锁定”，并通过增强的范德华力和纳米级分子间相互作用产生超强粘附。与传统PDMS仿生蘑菇状微柱阵列相比，PMVS-ODT在光滑表面的粘附强度提升了9.3倍，在粗糙表面更是惊人地提升了126.0倍。

图1. 能够与粗糙表面形成共形接触的仿壁虎粘附剂 (A) 表面自适应机器人 (SAR) 的仿生学原理。比例尺，1米。 (B) SAR足垫在不同粗糙度表面上实现共形接触的示意图。比例尺，1.5毫米和5毫米。 (C) 在0°C下，PDMS仿壁虎蘑菇状粘附剂阵列（详见补充信息）与初始为平坦的PMVS-ODT在光滑玻璃表面和粗糙表面（算术平均粗糙度Ra = 3.4 μm）上的粘附强度对比。 (D) 交联PMVS-ODT的示意图，其分子毛发通过降温结晶可接触并强粘附于粗糙表面，加热时则可轻松脱附。

为实现与粗糙表面的共形接触，研究团队对PMVS-ODT的浸润性和模量调控能力进行了表征（图2）。结果显示，PMVS-ODT在42°C时对玻璃和铝合金等多种表面具有优异的浸润性（接触角<50°）。其储能模量在50°C时可低至1.97 kPa，远低于模量基本不变的PDMS，从而在1.2 kPa的预压力下即可完美贴合波形铝合金表面。通过在机器人足垫中集成陶瓷加热片和液体冷却通道，可实现对PMVS-ODT模量的可逆调控。加热至53.5°C使其变为透明柔软态，冷却至16.0°C后则恢复为白色刚性态，循环周期约388秒，最终实现与铝合金表面从厘米到微米尺度的近乎完美的共形接触。

图2. SAR足垫的设计与共形接触 (A) 不同温度下水的接触角在PMVS-ODT上的变化，以及PMVS-ODT在不同表面上的接触角。 (B) PMVS-ODT和PDMS的储能模量及其在25°C和50°C时与铝合金表面的共形能力。 (C) SAR足垫（右图）及其足部结构（左图）。 (D) 足垫中心温度随时间的变化。当足垫完全透明（100秒后），停止加热并启动水循环。 (E) 在(D)中标记的时间和温度下，使用光学（上）和红外（下）相机拍摄的图像。 (F) PMVS-ODT与不同粗糙度表面共形接触的常规和激光显微镜图像。比例尺，1厘米和1毫米。

PMVS-ODT的合成路径简洁且可规模化，其粘附机理通过实验和分子动力学模拟得到深入揭示（图3）。合成过程基于硅氧烷的开环聚合和高效的硫醇-烯点击化学反应。差示扫描量热法和X射线衍射证实了ODT侧链在25°C以下结晶、32°C以上熔融的可逆相变行为，这是材料模量可大幅调控（刚度可调比达76,000）的基础。动态力学分析表明，其储能模量可从-15°C时的149.3 MPa变化至77°C时的1.97 kPa。分子动力学模拟进一步阐明，在高于熔点的温度下，PMVS-ODT的分子链能够有效填充粗糙二氧化硅表面的纳米级凹槽，实现微观共形接触。当温度从高温降至0°C时，界面间的相互作用能显著降低，表明形成了稳定且能量更低的粘附界面，这归因于分子链构象的调整和与基底更紧密的结合。

图3. PMVS-ODT的性能与粘附机理 (A) PMVS-ODT的合成路线和分子结构图。 (B) PMVS-ODT在25°C和50°C下的原位XRD图谱。 (C) 通过DSC表征的PMVS-ODT结晶与熔融曲线。 (D) PMVS-ODT的储能模量随温度的变化。 (E) 通过分子动力学模拟获得的PMVS-ODT与粗糙二氧化硅（标记为“R-SiO2”）之间的相互作用能随温度（从高温降至0°C）的变化函数。

PMVS-ODT展现出了卓越的粘附性能（图4）。在仅5 mN的超低预压力下，其对不同粗糙度铝合金表面的粘附强度均在280 kPa左右，远优于对比的PDMS微结构粘附剂。与其他仿生粘附剂相比，PMVS-ODT在极低预压力下实现了最高的粘附强度（1020 kPa/N），且其刚度可调比和粘附系数（粘附强度/模量）均处于领先水平。该材料还表现出优异的热开关特性，在0°C时粘附强度可达280.6 kPa，而在100°C时几乎为零（1.3 kPa），开关比高达216，优于多数已报道的可切换粘附材料。此外，PMVS-ODT对玻璃、聚酰亚胺、铝合金等多种材料均表现出稳定的强粘附，且在500次循环粘附-脱附测试后，其粘附强度仍稳定在281.7 ± 6.7 kPa，展示了优异的耐久性。

图4. PMVS-ODT的粘附性能 (A) 在5 mN预压力下，PMVS-ODT在不同粗糙度铝合金表面的粘附强度。 (B) 仿壁虎粘附剂的预压力及其对应粘附强度的比较（数据点颜色随粘附强度增加按黄、红、紫、蓝、青依次变化。对应数据列于表S1）。 (C) 刚度可调粘附剂的刚度可调范围与粘附系数的比较（数据列于表S2）。 (D) 从0°C到100°C的粘附开关特性。 (E) 粘附可切换材料的粘附强度与粘附开关比的比较（数据列于表S3）。 (F) 在5 mN预压力下，PMVS-ODT在不同基材上的粘附强度。 (G) PMVS-ODT在温度变化下，经过500次粘附循环后粘附强度的变化。

最终，研究团队将PMVS-ODT足垫集成至一台重880克的四足表面自适应机器人上，展示了其实际应用潜力（图5）。机器人足部集成了独立的加热与冷却模块，通过程序化控制实现粘附与脱附。在一个攀爬周期中，机器人按照“左前-右后-右前-左后”的顺序移动足部，每步可向上行进约6.5厘米。实验视频证实，该机器人能够成功地在垂直的光滑玻璃、粗糙玻璃、粗糙木材、粗糙铝合金和粗糙钢材表面稳定攀爬，甚至能悬挂于铝合金天花板下方，充分证明了其基于PMVS-ODT粘附剂的强大环境适应能力。

图5. SAR的系统与应用 (A) SAR系统的示意图。 (B) SAR系统的实物图。 (C) SAR的步态，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) 粗糙铝合金和(H) 粗糙钢材表面的照片。

总结与展望：本研究通过巧妙的分子结构设计，开发出具有“分子毛发”的仿生聚合物PMVS-ODT，成功解决了仿生粘附剂在粗糙表面上粘附力弱、适应性差的关键难题。该材料集超强粘附、易脱附、低预压力需求、可大规模制备等优点于一身，为爬壁机器人、机器人抓手、对接系统乃至太空在轨服务等领域提供了全新的技术方案。尽管目前机器人攀爬速度受限于材料导热性导致的较长冷却时间，以及大尺寸足垫可能存在的应力集中问题，但未来可通过引入导热填料、优化足垫几何结构（如采用六边形分区设计）和调控交联剂比例等策略加以解决。这项研究为开发下一代高性能、多功能的仿生粘附材料及机器人系统开辟了新的道路。