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材料与机械的完美结合！里程碑式革新，厦大最新成果问鼎《Science》子刊！

2021-04-25 10:38:21 18 800

研究背景

机器人最早诞生于科幻小说之中，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说中，根据Robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik（波兰文，原意为“工人”），创造出“机器人”这个词。如今机器人发展的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制，只要能想到的，就可以去创造实现；纵向上，机器人的种类会越来越多，像进入人体的微型机器人，已成为一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明。

今天要介绍的是攀爬机器人，它是可以在垂直墙壁上攀爬并完成作业的自动化机器人。又称为壁面移动机器人，因为垂直壁面作业超出人的极限，因此在国外又称为极限作业机器人。爬壁机器人必须具备吸附和移动两个基本功能，而常见吸附方式有负压吸附和永磁吸附两种。其中负压方式可以通过吸盘内产生负压而吸附于壁面上，不受壁面材料的限制；永磁吸附方式则有永磁体和电磁铁两种方式，只适用于吸附导磁性壁面。爬壁机器人主要用于石化企业对圆柱形大罐进行探伤检查或喷漆处理，或进行建筑物的清洁和喷涂。在核工业中用来检查测厚等，还可以用于消防和造船等行业。日本在爬壁机器人研究上发展迅速，中国也于20世纪90年代以来进行类似的研究。

攀爬机器人领域的一个关键挑战是实现可编程的表面附着/分离。在过去的几十年里，科学家们试图主要从材料的形态设计或机器人运动系统的工程控制来解决这个问题。形态学策略的一个典型例子是壁虎的仿生方法，通常基于微结构材料设计。提高仿生攀爬机器人运动性能的最新进展主要集中在仿壁虎微结构和材料固有粘着特性的结合上。这些仿生机器人的附着/分离行为是通过调节机器人脚与基底之间的相互作用方向或控制脚材料的机械性能来编程的。攀爬机器人的其他策略——包括静电吸附、磁相互作用和真空吸附——基于成熟的工程路线，这些路线依赖于运动控制系统的进步。此外，这些策略通常需要外部辅助，如高压(≥1000伏)发生器、可磁化基底或预先设计的表面。

固有粘合材料(IAMs)具有源于范德华相互作用、氢键、配体配位或主客体相互作用的固有粘合特性，在攀爬机器人的运动系统设计中具有潜在的应用。得益于对材料成分和微观结构的控制，已经开发出具有增强的粘合强度、优异的稳定性和湿表面或水下适应性的离子注入机。IAMs也可能响应于诸如酸碱度、压力、水、温度等刺激而改变其粘附性。特别是，贻贝启发的使用儿茶酚基团作为粘合促进剂的离子交换膜已被广泛用于干、湿和水下粘合。儿茶酚基团可以通过配体配位、氢键和静电吸附等相互作用结合到各种表面。由于其优异的粘附性能，邻苯二酚基离子交换膜在传感、生物医学、能源和表面工程领域显示出良好的应用前景。

然而，出于几个原因，很少有例子证明IAMs在攀爬机器人中的实际应用。首先，IAMs的一小部分可以在粘附和非粘附状态之间可逆地快速切换。第二，上述附着进化触发器对于攀爬机器人来说是不切实际的。例如，在机器人攀爬过程中，很难精确控制IAMs的酸碱度、温度和含水量或环境。第三，许多层间介电膜对有限的或预先设计的基底表现出刺激响应性粘附。

研究成果

尽管在粘合材料方面已经取得了显著的进步，但是对这些材料的附着和分离行为进行编程的能力仍然是巨大的挑战，为解决上述难题，厦门大学戴李宗教授课题组经潜心研究，报道了一种硼酸酯聚合物水凝胶，它可以在温和的电刺激(电压在3.0到4.5伏之间)下快速地在粘附和非粘附状态之间切换。这种行为是通过水电解控制邻苯二酚基团的暴露和屏蔽实现的——诱导硼酸酯部分的可逆裂解和重组。通过切换电场方向，水凝胶可以重复附着和脱离各种表面，响应时间低至1秒。这种可编程附着/分离策略为机器人攀爬提供了一种替代方法。通过将这种电响应水凝胶引入行走和轮式机器人，作者展示了机器人在垂直和倒置表面上攀爬的替代策略。水凝胶被简单地粘贴到攀爬机器人的运动部件上，而不需要复杂的工程和形态设计。这项研究为设计适用于智能器件的智能聚合物粘合剂和调节粘合的电化学策略建立了有效的途径。相关研究工作以“Electrically programmable adhesive hydrogels for climbing robots”为题发表在国际顶级期刊《Science Robotics》上。

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图文速递

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图1. TBVA水凝胶的表面和力学性能

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图2. TBVA水凝胶的自愈合性能

作者通过硼酸、邻苯二酚和聚乙烯醇的硼酸酯形成反应设计了一种水凝胶型离子交换膜。该设计基于这样的事实，即无机硼酸和有机硼酸与1，2-二醇或1，3-二醇官能化的分子或聚合物具有高缩合反应活性。形成的硼酸酯或硼酸酯对酸性酸碱度或客体分子是可裂解的。作者预计在水凝胶和导电基底之间的界面上的水电解可以改变酸碱度并导致可逆的硼酸酯部分的裂解/重组，从而控制儿茶酚基团的暴露/屏蔽。这种水凝胶不仅表现出快速自愈合、高拉伸性和离子导电性的特点，而且在电刺激(电压在3.0和4.5 V之间)下表现出可编程的表面附着/分离。通过将这种电响应水凝胶引入行走和轮式机器人，作者展示了机器人在垂直和倒置表面上攀爬的替代策略。

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图3 水凝胶的电编程粘附

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图4 No.1机器人的攀爬性能

作者演示了三丁基锡化合物水凝胶可用于攀爬机器人，以实现垂直和倒置表面的可编程运动。首先为攀爬实验设计了一个三脚绳系行走机器人(记为1号机器人)(图4A)。该机器人的重量约为113克。在1号机器人的每只脚(脚A × 2和脚B)上，固定了一块TBVA水凝胶。水凝胶的尺寸对于脚A约为6.0厘米×1.8厘米×0.4厘米，对于脚B约为7.5厘米×2.7厘米×0.4厘米。碳纸(厚度，0.1厘米)夹在水凝胶和机器人脚之间，用作集电器。每片水凝胶的电路都是通过一根铜线连接碳纸和电源来独立控制的。水凝胶和基质之间的电压在-3.0和3.0之间，正电压意味着电流从基底流向水凝胶；负电压意味着电流从水凝胶流向基质。实现了步行、轮式机器人在垂直、倒置不锈钢或铜表面的程控运动。

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图5 No.2号和No.3号机器人的攀爬性能

结论与展望

在这项研究中，作者开发了一种简单且可扩展的策略来制造硼酸酯聚合物水凝胶，用作攀爬机器人的可编程粘合剂。在温和电场的刺激下，这种水凝胶可以在粘附和非粘附状态之间快速可逆地切换。通过简单地将这种水凝胶粘贴在机器人的运动部件上，实现了行走机器人和轮式机器人在不同表面上的攀爬。研究表明，机器人攀爬中的挑战，如复杂的材料微观结构和器件设计，以及高水平工程的技术门槛，可能通过聚合物网络调节方法来克服。基于粘合剂促进剂暴露/屏蔽的概念对粘合剂/非粘合剂的演变进行编程可以为工程粘合剂材料提供途径。除了电敏感性之外，这种水凝胶还表现出优异的机械强度、易加工性和快速自愈合性能，使其在电子皮肤、可穿戴设备、组织粘附、传感、柔性能量存储设备等领域具有潜在的用途。

文章链接：https://robotics.sciencemag.org/content/6/53/eabe1858

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