厦大戴李宗《Science Robotics》：用于攀爬机器人的电控粘附性水凝胶

来源：高分子科学前沿

攀爬机器人在基础研究、工业、军事等领域有着重要应用地位。该领域的关键挑战是实现可编程的表面附着/分离。在过去的几十年中，人们主要通过材料的微观形态设计或机器人运动系统的工程控制来尝试解决这个问题，衍生出了模仿壁虎足底微观结构的仿生方法、高压静电吸附、磁性吸附、真空吸附等攀爬模式。本征粘附性材料（Intrinsically adhesive materials，IAMs）对固体表面的粘附源自范德华力、氢键、配位或主体-客体相互作用等。特别是含有邻苯二酚基团的贻贝型IAMs，已经被广泛应用于干、湿和水下粘附，在传感、生物医学、能源和表面工程等领域显示出应用优势。从理论上讲，机器人攀爬依赖运动系统与环境物体之间的界面相互作用，与IAMs的核心功能相契合。但以下原因限制了IAMs在攀爬机器人领域的应用：首先，IAMs对固体表面普遍存在脱粘困难；其次，粘附强度无法实时调控，粘附与脱粘两种状态的快速、可逆、循环转变是重大挑战；第三，现有调控IAMs粘附性能的刺激信号（如：pH、温度、湿度、光等）难以实现机器人应用。

为了解决上述问题，厦门大学戴李宗教授团队立足高分子与电化学融合，材料和机械工程的跨学科交叉，提出电化学策略程控聚合物粘附性能的新思路（刺激电压介于3.0至4.5 V之间），实现了硼酸酯聚合物水凝胶对导电基体的快速、可逆、循环粘附/脱粘，并建立了机器人在倒置和垂直表面程控攀爬的新模式。

硼酸酯聚合物水凝胶电控粘附/脱粘的电化学机制在于：界面电解水诱导下，弱碱性水凝胶靠近阳极基体的区域因电解水消耗大量OH-，pH迅速下降诱导硼酸酯键断裂，暴露邻苯二酚基团，产生高粘附性；改变电场方向，导电基体变为阴极，电解水产生大量OH-，pH迅速升高，硼酸酯键重新形成，粘性因子邻苯二酚基团被屏蔽，水凝胶失去粘附性；通过电场方向的切换，水凝胶能在各类导电表面快速粘附/脱粘，粘附/脱粘响应时间可低于1 s，最大粘附强度变化达22倍，具较好循环稳定性。该研究解决了聚合物在固体表面程控粘附/脱粘的挑战性难题。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，这是继“高压静电吸附、磁性吸附、真空吸附、仿生设计”之后，机器人攀爬模式的一次重要革新，使得攀爬型机器人设计可摆脱“高工程技术门槛”的限制。所设计的电控粘附/脱粘水凝胶合成方便易于量化制备，只需要将其贴在机器人的运动部位，无需复杂的工程和形态学设计，即可实现机器人攀爬。另外，该研究还为聚合物在固体表面程控粘附/脱粘提供了一种全新的电化学途径，其应用领域可延伸至攀爬型机器人以外，例如：电子皮肤、可穿戴器件、生物组织粘附、柔性储能等。

图1. TBVA水凝胶的制备过程以及表面和力学性能的表征

图2. TBVA水凝胶的自愈合性能

图3. TBVA水凝胶的电控粘附/脱粘性能

图4. 机器人#1（步行机器人，质心离基底距离：2.5 cm）在接近垂直（85 o）和倒置的不锈钢表面攀爬

图5. 机器人#2（改进的步行机器人，质心离基底距离：1.4 cm）和机器人#3（轮式机器人）在垂直、倒置或接近垂直（85 o）的表面攀爬（基材：不锈钢或铜）

该研究以“Electrically programmable adhesive hydrogels for climbing robots”为题发表在最新一期《Science Robotics》上。厦门大学材料学院黄俊文为论文第一作者；厦门大学航空航天学院刘宇为论文第二作者；戴李宗教授和袁丛辉副教授为论文共同通讯作者。《Science Robotics》同期还发表了美国密歇根理工大学Bruce P. Lee教授撰写的“Focus”文章，题为“Climbing robots in a sticky situation”，评述了戴李宗教授团队解决贻贝类IAMs因电刺激氧化失去粘性的创新方法、电控粘附/脱粘的分子机制，以及基于电控粘附性水凝胶的攀爬型机器人设计理念。Bruce P. Lee教授还指出：尽管目前采用该策略设计的攀爬型机器人还存在爬得慢、粘附强度低、仅适用导电表面等限制，但该研究将贻贝化学和电化学相结合，创造出一种可编程、用于攀爬型机器人的胶粘剂，这是仿生化学在机器人运动中的一个实际应用。随着该领域理论和技术的发展，开发出能够在各种表面和雨天等环境条件下作业的攀爬型机器人是可能的。

论文链接：

https://robotics.sciencemag.org/content/6/53/eabe1858

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