*機器人抓持器的發(fā)展旨在通過可控的黏附力和摩擦力實現(xiàn)高效、靈活和穩(wěn)定的物體操控。例如，具有強摩擦力和弱黏附力的柔性附著墊，可以實現(xiàn)可靠和高效的晶圓運輸。具有光滑足墊的昆蟲，例如蟑螂、蝗蟲、螽斯等，可以實現(xiàn)高度動態(tài)的附著和分離，即在奔跑和跳躍等高速運動中實現(xiàn)足墊的強摩擦和弱黏附。因此，理解和模擬昆蟲光滑足墊的增摩結(jié)構(gòu)可以促進具有攀爬和抓握功能的機器人發(fā)展。

近日，南京航空航天大學機電學院姬科舉副研究員/戴振東教授課題組根據(jù)仿生原理設(shè)計和制造了一種可以同時實現(xiàn)強摩擦力和弱黏附力的仿生柔性附著機構(gòu)，靈感來自于昆蟲光滑足墊的內(nèi)部角質(zhì)層結(jié)構(gòu)。對于動物來說，通過足肢抓住和操縱物體，從而實現(xiàn)與環(huán)境之間的高效互動對于它們的生存至關(guān)重要。經(jīng)過億萬年的發(fā)展，這些末端效應(yīng)器，例如人類的手、昆蟲的腳、章魚的觸須和貓的爪等，已經(jīng)進化出不同的結(jié)構(gòu)和功能以適應(yīng)環(huán)境挑戰(zhàn)。其中，昆蟲因其強大的運動能力成為了仿生機器人領(lǐng)域的熱點研究對象。研究團隊發(fā)現(xiàn)昆蟲光滑足墊的高適應(yīng)性、高摩擦力和弱黏附力來自于其圓弧表面和內(nèi)部樹枝狀結(jié)構(gòu)的共同作用，并且其表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的參數(shù)對于摩擦性能存在最佳值。該研究通過仿生設(shè)計原理實現(xiàn)了一種簡單的增摩減黏柔性附著結(jié)構(gòu)設(shè)計策略，為機器人抓持器與附著單元的設(shè)計與制造提供了新思路。

相關(guān)研究成果以“Insect-inspired design strategy for flexible attachments with strong frictional force and weak pull-off force"為題發(fā)表在國際摩擦學領(lǐng)域著名期刊《Tribology International》上（SCI一區(qū)，Top期刊，IF=6.20）。南京航空航天大學機電學院博士研究生趙家輝為第一作者，南京航空航天大學機電學院姬科舉副研究員與戴振東教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委的大力支持。

本研究設(shè)計的仿生柔性墊采用硬質(zhì)模板法制備，所有模具均使用摩方精密microArch® S140（精度：10μm）光固化3D打印設(shè)備制造，制造工藝原理圖如圖1a所示。仿生柔性墊的表面粗糙度、接觸角和楊氏模量分別采用激光共聚焦顯微鏡、接觸角測試儀和萬能拉伸試驗機進行測試（圖1b和c）。摩擦和黏附性能由Bruker的UMT-2測得，具體步驟如圖1d和e。

圖1 a）通過模具澆筑制造仿生柔性墊的過程示意圖；b）仿生柔性墊的表面粗糙度和疏水性；c）商用PDMS的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；d） 受抑光在試驗臺中的全反射圖；e） 本研究中使用的摩擦測量程序示意圖和測試平臺的照片。

自然界中存在著多種不同粗糙度的表面，包括許多植物的葉子、巖石表面和樹干表皮等。昆蟲的足墊可以很好地適應(yīng)這些表面并以此為基底來為自己提供顯著的動力（圖2a、d和g）。這些昆蟲的摩擦墊部分由四個半球形的跗墊（圖2b、e和h）組成，這一特征幾乎普遍存在于所有光滑的昆蟲足墊中，包括蟋蟀和竹節(jié)蟲等。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橫斷面掃描電鏡圖像（圖2c、f和i）顯示了昆蟲具有均勻厚度的光滑膜狀表皮，并且在內(nèi)膜層以下均勻分布著縱向排列的樹枝狀結(jié)構(gòu)。

圖2 螽斯、蝗蟲和蟑螂的足墊結(jié)構(gòu) a、d、g）螽斯、蝗蟲和蟑螂的攀爬抓握形態(tài)；b、e、h）足墊的腹面視圖；c、f、i）足墊接觸區(qū)域的橫截面。

為了闡明表面曲率對摩擦行為的影響，團隊設(shè)計并制備了三種曲率分別為0、10和20m-1的實心墊，分別命名為S0、S1和S2。摩擦性能測試結(jié)果顯示，隨著表面曲率的增大，材料的角度適應(yīng)性變好，并且不會出現(xiàn)粘滑失效現(xiàn)象。然而，對于實心墊來說，表面曲率增大會使其實際接觸面積減小，從而導致摩擦力大幅度降低，結(jié)果如圖3所示。