仿生工程致力于学习模仿自然生物的独特能力，为学术及工程领域提供灵感和技术突破。拥有出色攀爬能力的“壁虎”近十几年来被广泛关注，以其脚掌为模板，科研人员已经能仿制出类似的干粘附胶带，并在诸如特种机器人，智能机械手，医疗工程等多个领域展现出不可替代的应用潜力。

从“结构仿生”到“功能仿生”

然而，壁虎的攀爬能力不仅依赖于其脚掌的细微粘附结构，更依赖于后端的神经反馈与自我体态调节。现阶段的研究专注于单纯的“结构仿生”，难以真正实现壁虎的攀爬能力，成为制约仿生粘附从实验室走向工程应用的瓶颈。西安交通大学邵金友教授团队多年致力于仿生智能机械的开发与应用研究，设计了一种集“粘附”与“传感”为一体的多级结构，巧妙地为仿生结构添加一根“神经”，提出“可感知接触的仿生粘附”新概念，实现从传统“结构仿生”到“功能”仿生的突破，团队与香港理工大学郑子剑教授展开合作，最近在《先进功能材料》报道了相关工作进展：“Bioinspired Hierarchical Structures for Contact-Sensible Adhesives”，胡鸿博士为论文的第一作者，王铎睿博士为论文的共同第一作者。

【文章要点】

1.可感知粘附多级结构的设计

作者采用具有优异粘附性能的“蘑菇形”微结构作为顶部粘附层，采用离散支撑的微柱阵列作为基底以引入电容式力传感器（图1左）。在外力的作用下，底层结构发生较大形变，导致电极距离改变，从而输出与之对应的电容响应曲线，获得力传感功能。实验证实，此种多级结构不仅表现优异粘附性能，而且可对拉力、压力及切向力快速响应，满足实际应用中可能涉及复杂力耦合的特殊要求（图1右）。

图1. 多级结构设计及其载荷响应

2.传感性能与结构的定量规律

作为传感器最重要的工程参数之一，灵敏度的确定直接影响了实际应用中的数据准确。文章通过大量实验与理论计算，发现在不同载荷和不同变形行为下，灵敏度均可表示为与结构深宽比（高度除以宽度）和占空比（横向空间占有率）相关的简单幂律解析式，从而为未来粘附结构设计提供理论依据。（图2）

图2. 传感器性能与几何尺寸的定量规律

3.突出的非平整表面适应能力

工程应用中，所面对的目标表面往往是不平整的。实验证实，多级结构具备很强的表面适应能力，在不平整表面表现出比单级结构约为3.7倍的粘附性能提升（图3左）。作者通过有限元仿真，揭示了性能提升的根源——正是来自基底离散结构的柔度（图3右）。基底离散方案也是邵金友教授团队解决非理想接触的原创技术路线，曾在ACS NANO，NANO Research 发表多篇论文报道相关工作（ ACS Nano2019, 13, 9, 10333–10342, Nano Res.2021, 14, 2606–2612, ACS Nano2016, 10, 4, 4354–4363, ACS Appl. Mater. Interfaces2017, 9, 8, 7752–7760）。

图3. 多级结构的粘附力提升及有限元解释

4.对难抓取物体的可靠抓取

利用可感知仿生粘附材料作为机械手的末端，作者还验证了其在抓取任务中的功能，不仅有效的避免了抓取任务中的压力过大问题，还能监测可能出现的滑移，从而完成稳定而安全的抓取任务。（图4）

图4. 抓取任务的展示

小结：针对目前仿生粘附结构只能提供单一粘附功能的问题，作者采用“蘑菇形”微结构作为顶层粘附层，和离散微柱阵列作为基底层并嵌入电容式力传感器，成功实现一种既粘附又传感的多级结构，这种结构不仅能对包括压力、拉力、切向力的多种外载荷快速响应，而且在非平整表面上表现出更强的适应能力，有望在智能机器人接触末端等领域获得重要应用。

来源：高分子科学前沿