用于粘附/脱附快速切换的温控时变仿生粘附结构及调控方法

技术领域

本发明属于微纳工程仿生设计技术领域，具体涉及一种用于粘附/脱附快速切换的温控时变仿生粘附结构及调控方法。

背景技术

壁虎仅靠脚趾末端精细微纳结构与物体表面间范德华力作用就能轻松自如地爬行于垂直表面和天花板，具有粘附力大、稳定性好、对材质和形貌适应性强、自清洁性好、不会对物体表面造成损伤和污染等优点，称之为干粘附特性。目前，干粘附功能表面替代传统粘附方式已成为仿生爬壁机器人、太空环境/超洁净环境无损精确输运、生物医疗诊断等方面发展的重要方向和趋势。

在干粘附结构表面的应用过程中，如何实现高强度粘附与可控脱附是干粘附研究领域的重要方面。利用蘑菇状阵列结构实现高强度粘附是一种有效的粘附方式，然而蘑菇状阵列结构由于形貌的对称性，表现出各向等同的粘附强度，无法实现有效的可控脱附；利用倾斜微结构阵列(DOI:10.1063/1.3006334)、三角形微柱阵列(DOI:10.1002/smll.201100455)以及具有缺陷的微米级帽子末端(DOI:10.1088/1748-3182/8/4/044002)等各向异性的微结构功能表面，能够实现粘附表面的可控脱附，然而前提是以牺牲粘附强度为代价的。因此，如何实现干粘附功能表面高强度粘附和可控脱附的有机统一是目前干粘附结构设计和工艺制造方向面临的困难和挑战。

发明内容

为了解决上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于粘附/脱附快速切换的温控时变仿生粘附结构及调控方法，实现高强度粘附和可控脱附的有机统一。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种用于粘附/脱附快速切换的温控时变仿生粘附结构，包含两层结构，顶层为干粘附结构层，底层为外场驱动层，底层的四周为支撑结构。

所述的干粘附结构层为蘑菇状阵列结构，外场驱动层为提供温度变化的电热膜。

所述的干粘附结构层采用液晶弹性聚合物LCE；电热膜采用碳纳米管、铁铬铝等柔性电热膜形式；支撑结构采用介电材料。

所述的干粘附结构层的制备工艺为：首先制备出蘑菇状阵列结构的反型结构，在反型结构和衬底之间施加电压，使反型结构腔体中的液晶弹性聚合物LCE快速填满整个腔体，形成具有粘附功能的蘑菇状阵列结构，同时产生取向，即具备热致收缩的特性。

所述的一种用于粘附/脱附快速切换的温控时变仿生粘附结构的调控方法，包括以下步骤：

第一步，无电场作用下，干粘附结构层保持初始形貌，干粘附结构层具备高强度粘附特性；

第二步，施加电场，电热膜在电场的作用下发生电热效应，导致干粘附结构层发生热致收缩变形，干粘附结构层和被粘附物的粘附界面发生分离，从而实现脱附；

第三步，撤去电场，电热膜的电热效应消失，干粘附结构层在弹性作用下还原初始形貌，干粘附结构层恢复高强度粘附特性。

本发明的有益效果：本发明的基于液晶弹性聚合物LCE的干粘附结构层，能够在保持粘附结构高粘附强度的前提下，利用液晶弹性聚合物的热致动特性，实现干粘附功能结构在温度调控下的可控脱附与粘附。本发明的一种用于粘附/脱附快速切换的温控时变仿生粘附结构可广泛用于带式输送机、机械手、微吸盘等干粘附领域。

附图说明

图1为本发明温控时变仿生粘附结构的示意图。

图2为本发明干粘附结构的制备示意图。

图3为本发明液晶弹性聚合物产生取向的示意图。

图4为本发明无电场作用时温控时变仿生粘附结构的示意图。

图5为本发明施加电场时温控时变仿生粘附结构的变形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1，一种用于粘附/脱附快速切换的温控时变仿生粘附结构，包含两层结构，上层为干粘附结构层5，干粘附结构层5为蘑菇状阵列结构；底层为外场驱动层，外场驱动层为提供温度变化的电热膜6；底层的四周为支撑结构4。

所述的干粘附结构层5采用液晶弹性聚合物LCE；电热膜采用碳纳米管、铁铬铝等柔性电热膜形式；支撑结构4采用介电材料。

所述的干粘附结构层5的制备工艺为：首先制备出蘑菇状阵列结构的反型结构1，在反型结构1和衬底3之间施加适当的电压，使反型结构1腔体中的液晶弹性聚合物LCE 2快速填满整个腔体，如图2所示，填充过程中液晶弹性聚合物LCE 2同时产生取向，即具备热致收缩的特性，如图3所示。

所述的一种用于粘附/脱附快速切换的温控时变仿生粘附结构的调控方法，包括以下步骤：

第一步，无电场作用下，干粘附结构层5保持初始形貌，不发生收缩变形，干粘附结构层5具备高强度粘附特性，如图4所示；

第二步，施加电场，电热膜6在电场的作用下发生电热效应，产生的热量导致干粘附结构层5发生热致收缩变形，干粘附结构层5和被粘附物7的粘附界面发生分离，从而实现脱附，如图5所示；

第三步，撤去电场，电热膜6的电热效应消失，温度降低，干粘附结构层5在弹性作用下还原初始形貌，干粘附结构层5恢复高强度粘附特性。