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智能塑料再得一分，浙大學(xué)者制造“萬能抓手”
代替人工來進(jìn)行物體搬運(yùn)，我們通常會想到機(jī)械臂，它們的抓手可以輕松拿起我們想要移動的物體，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)司空見慣，不過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，雖然號稱是萬能，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、開發(fā)、應(yīng)用的一個新的分支，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、航空器太陽能翻版展開結(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，它可以保持當(dāng)下的變形程度，再通過改變外部刺激條件令其復(fù)原，以此實(shí)現(xiàn)對物體的抓取和放置。
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)。在這過程中，作為“抓手”的聚合物可以通過任意改變形態(tài)來實(shí)現(xiàn)對不同物體的抓取，堪稱“萬能鎖”。
宋吉舟教授介紹說，這把“萬能鎖”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)，為物體的釋放帶來更大的挑戰(zhàn)。
科學(xué)家的應(yīng)對之策是，通過對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，在不依賴于粘附力的情況下，不僅實(shí)現(xiàn)對微小的部件的準(zhǔn)確搬運(yùn)操作，也可以很好地解決粘附力在物體釋放時帶來的困擾，即使是75微米大小的不規(guī)則鐵顆粒或者是直徑10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粘附作用來實(shí)現(xiàn)對這些元器件的一次性抓取，但是釋放的時候粘附也同時變成了限制因素。而在“萬能抓手”的場景之下，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，對于推進(jìn)柔性電子的工業(yè)化進(jìn)程有很大幫助。
