南航《AFM》仿生技术！振动诱导仿生结构实现亚秒级黏附/摩擦调控

研究团队采用摩方精密的面投影微立体光刻（PμSL）3D打印技术（nanoArch^® S140 Pro，精度：10 μm），制备了四种参数（曲率半径、接触层厚、支撑层直径和梯度化程度）可调的系列样品。实验结果显示，该材料在测试中表现出稳定的黏附与摩擦性能：黏附强度超过60.0 kPa，摩擦强度高于130.0 kPa，并在200次连续循环测试后仍保持90 %以上的性能稳定性。此外，该材料在≥ 3°斜面、≥ R_a 0.8 μm的粗糙表面等条件下保持稳定的性能，并可耐受400 Hz/60 μm的振动工况及-60~160 ℃范围内的温变环境（图1,2）。

图1. 仿生光滑垫的设计与振动调节黏附/摩擦机制示意图。

图2. 四种关键结构参数对其黏附/摩擦性能的影响。

图3. 不同结构在静态/振动粗糙基底上的黏附与摩擦性能对比。

进一步研究表明，仿生曲率梯度化光滑垫结构在振动测试条件下呈现双模态响应和振动耐受等特征。在50 Hz/100 μm振动条件下其黏附性能由静态时的1.371 ± 0.004 N提升至3.711 ± 0.037 N，增幅达270.68 %（模态I）；而200 Hz/100 μm振动条件下，黏附力可降至0.079 ± 0.050 N，降幅为497.58 %（模态II）。其黏附的转换开关比和转换效率分别为46.79和97.86 %。值得注意的是，梯度化设计使材料在400 Hz/60 μm振动环境下仍能保持70%以上的摩擦性能（图3）。

图4. 表面适应性与振动调控的机理分析。

机理分析方面，该结构内部沿轴向梯度排布的磁性粒子形成了“顶柔底刚"的模量梯度结构，有效实现界面应力的均匀分布，既增强了有效黏附功，又降低了界面应变能。振动测试中的力与位移测试曲线和时温等效原理测得的频率与储存模量/损耗模量等数据分析表明，低频振动通过弹性主导增强附着（模式Ⅰ），而高频振动则通过黏性耗散减弱附着（模式Ⅱ），从而能实现小于30毫秒的黏脱附状态切换，其响应速度与壁虎处于同一量级（图4）。

图5. 金属、有机玻璃和硅片等表面的无损抓放验证，以及便携式模块验证。

图6. 与机械臂集成的温差工况、大面积应用验证。

在测试平台上实现金属、有机玻璃和晶圆等材料的无损黏脱附验证后，研究团队进一步开发出总重低于280克、成本低于50元人民币的手持式操作模块，成功实现了偏心基底的无损搬运（图5）。便携式模块同样可集成于机械臂末端，满足高精度、大面积的作业需求（图6）。

总结：该研究提出的“梯度分布-振动诱导"协同策略，成功实现了在倾斜、粗糙、振动与变温环境下黏附/摩擦性能的稳定附着与快速、可逆的切换，提供了结构黏附/摩擦材料从被动结构优化到主动动态调控的转变，为发展适用于动态环境的“智能"末端执行器提供了新的思路。