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智能塑料再得一分,浙大學(xué)者制造“萬(wàn)能抓手”
代替人工來(lái)進(jìn)行物體搬運(yùn),我們通常會(huì)想到機(jī)械臂,它們的抓手可以輕松拿起我們想要移動(dòng)的物體,并快速而準(zhǔn)確地放在應(yīng)在的位置上。在制作業(yè)向智能化轉(zhuǎn)變的當(dāng)下,這種技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)司空見(jiàn)慣,不過(guò)抓手并不一定都是機(jī)械裝置,有記憶的塑料也可以當(dāng)好搬運(yùn)工。
日前浙江大學(xué)航空航天學(xué)院的宋吉舟教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)提出了一種新的抓手概念,他們稱其為“萬(wàn)能抓手”,可以把目標(biāo)物體“鎖”在體內(nèi),輕松地抓放1微米到1米大小多種形狀的物體。不過(guò),雖然號(hào)稱是萬(wàn)能,但這抓手的組成結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜,其載體僅僅是一塊名為“智能塑料”的形狀記憶聚合物材料。
形狀記憶聚合物是一類新型的功能高分子材料,屬于高分子材料研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用的一個(gè)新的分支,可兼具塑料與橡膠的特點(diǎn)。目前,形狀記憶聚合物已經(jīng)有了頗為廣泛的應(yīng)用,如智能織物、電子包裝管的熱收縮膜、航空器太陽(yáng)能翻版展開(kāi)結(jié)構(gòu)、智能醫(yī)藥器件等。
這種材料的神奇之處在于,通過(guò)光、熱等外部刺激可以控制該聚合物的性狀,能夠在軟硬之間變換。當(dāng)其受到一定的外力作用時(shí),它可以保持當(dāng)下的變形程度,再通過(guò)改變外部刺激條件令其復(fù)原,以此實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓取和放置。
而該項(xiàng)研究正是基于此現(xiàn)象,科研人員在形狀記憶聚合物柔軟的狀態(tài)下,將物體或物體表面結(jié)構(gòu)嵌入其中,再通過(guò)轉(zhuǎn)換刺激條件,令聚合物轉(zhuǎn)化為剛硬狀態(tài),保持嵌入狀態(tài)的臨時(shí)形狀,從而實(shí)現(xiàn)將物體抓取,然后在完成轉(zhuǎn)移工作之后,通過(guò)再一次施加外部刺激,將聚合物恢復(fù)到初始狀態(tài),釋放抓取的物體,這樣就完成了一次搬運(yùn)。在這過(guò)程中,作為“抓手”的聚合物可以通過(guò)任意改變形態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物體的抓取,堪稱“萬(wàn)能鎖”。
宋吉舟教授介紹說(shuō),這把“萬(wàn)能鎖”可以在典型的三維結(jié)構(gòu)物體上產(chǎn)生很大的抓力,包括球體、方塊、管狀物體、螺栓、螺母、棗核、鑰匙串等;不僅如此,它還能粘附在物體表面,像壁虎一樣,不論物體表面光滑還是粗糙。
這種新的搬運(yùn)方式也引起了科學(xué)家對(duì)于探索其應(yīng)用領(lǐng)域的興趣,他們將物體的尺寸縮小到微觀尺度來(lái)觀察抓手的搬運(yùn)效果,而在該條件下,物體受到的表面力,特別是與抓手的粘附作用強(qiáng),為物體的釋放帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。
科學(xué)家的應(yīng)對(duì)之策是,通過(guò)對(duì)聚合物表面鍍上一層特殊材料或增加接觸表面的粗糙程度,減弱聚合物表面粘附力,僅將物體或物體表面結(jié)構(gòu)鎖在其內(nèi)部。這樣一來(lái),在不依賴于粘附力的情況下,不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)微小的部件的準(zhǔn)確搬運(yùn)操作,也可以很好地解決粘附力在物體釋放時(shí)帶來(lái)的困擾,即使是75微米大小的不規(guī)則鐵顆?;蛘呤侵睆?0微米的二氧化硅球,也能順利從該抓手上得到釋放。
宋吉舟教授表示,在柔性電子制備中,微觀元器件的快速組裝工序十分重要,即把制備基底上數(shù)以萬(wàn)計(jì)甚至更多的微納元器件轉(zhuǎn)移到柔性的使用基底上。目前常用的方法是通過(guò)粘附作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這些元器件的一次性抓取,但是釋放的時(shí)候粘附也同時(shí)變成了限制因素。而在“萬(wàn)能抓手”的場(chǎng)景之下,微觀元器件的轉(zhuǎn)移可以擺脫粘附作用,這一研究也為柔性電子的制備提供了一種新思路,對(duì)于推進(jìn)柔性電子的工業(yè)化進(jìn)程有很大幫助。