CN110582383A - 抓持装置以及生产抓持装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抓持装置，其包括膜；柔性壳体；其中该膜固定地连接到该壳体的外缘。本发明还涉及一种生产抓持装置的方法。

Description

抓持装置以及生产抓持装置的方法

技术领域

本发明涉及一种抓持装置，其包括膜；柔性壳体；其中该膜固定地连接到该壳体的外缘。本发明还涉及一种生产抓持装置的方法。

背景技术

复杂三维(3D)表面的粘附控制抓取(诸如转印、机器人操作和运动以及精密制造中所需的)是非常困难的，因为粘合剂必须足够柔软以能够在轻压下进行紧密接触，但粘合剂必须足够坚硬以能够承受高负载。

通过利用等载荷分担和界面裂纹钉扎的原理，受壁虎启发的干燥微/纳米纤维粘合剂可以使用分子间相互作用(例如范德华力)牢固地粘附到平坦的表面。采用同样的附着方法，受壁虎启发的合成弹性纤维状粘合剂在光滑的平面上的粘结强度达到100kPa以上，超过了壁虎在这种表面上的性能，并通过微米纤维的剥离或屈曲表现出快速释放。在过去的十年里，受壁虎启发的粘合剂已经被应用到各种系统中，包括许多用于爬墙的机器人应用、用于飞行器的驻留设备、和抓持器。

然而，在处理三维(3D)表面时出现了困难，因为目前的受壁虎启发的合成粘合剂系统通常由刚性背衬支撑，这限制了它们适应非平坦的表面的能力。在先前的工作中，开发了一种与柔软膜一体化的弹性纤维状粘合剂，称为纤维状粘合剂，其将该膜固定到三维印刷的刚性塑料本体上，使得系统能够处理各种三维物体。

尽管显示出相对于具有10倍高粘附的非结构化平坦弹性体膜的显著改进，但测试的FAM仅能实现2kPa的粘附应力，这是用刚性背衬微纤维阵列测量的55kPa的一小部分。这意味着，更顺应的膜背衬使得提高了对3D表面的适应性，这以降低96％的粘附强度为代价。考虑到膜的粘附与接触界面的周向长度成比例而不是与面积成比例，上述结果表明，无论是否包括结构，膜的尺寸必须大大增加，以支持高的承载能力。

提高粘附膜的粘附强度需要在整个接触界面上更均匀的负载分担。已提出了一种摩擦附着系统，其可以通过在平坦和稍微弯曲表面上扩大到更大的面积来提高微楔结构的横向负载分担能力和摩擦。

然而，迄今为止，没有粘结系统成功地改善了复杂三维表面纤维状结构的垂直负载分担和粘附。由诸如液态金属、热塑性塑料或形状记忆聚合物等刚度可调的材料制成的背衬层在它们被软化时可适合于3D表面，且在它们被硬化时可支持高断裂强度。

然而，在管理可变形基底(例如塑料箔、橡胶状可伸缩表面、金属薄膜)方面仍然存在困难，因为被硬化的背衬不能适应变形，从而导致在接触边缘处的应力集中。因此，所有粘性抓持任务都受制于在顺应性/适应性和刚度/强度之间的基本权衡。虽然粘合剂必须足够顺应的以适应复杂的3D或可变形的几何形状，但相同的系统必须保持足够的刚度，以最大化界面的(模式I)断裂强度，以便支撑物体的重量。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的是提供一种抓持装置，该抓持装置在确保所需的粘附强度的同时实现所需的变形。

该目标由根据权利要求1所述的抓持装置来满足。

这样的抓持装置包括膜；柔性壳体；其中膜固定地连接到柔性壳体的外缘；在膜和壳体之间存在腔体；以及与连接到该腔体的空气压力调节器(例如注射器泵或真空泵)的连接。

以这种方式，除了固有的柔性膜之外，本发明还利用柔性壳体，该组合使得能够独立地控制抓持装置的3D适应性和结合强度。这种新颖的结构在各种尺寸的3D和可变形表面上表现出增强的和坚固的粘附。

总而言之，提出了一种软负载分担系统，该系统通过利用内部压力对界面负载分担的影响来控制3D表面上的法向负载分布。这种软系统架构解决了具有高表面适应性同时保持高断裂强度的基本挑战。通过利用软的且可变形的主体(壳体)并且当抓持装置的腔体为真空时控制作用在界面上的负压差，所提出的系统推动在非平坦3D几何形状上可实现的最大粘附控制抓持强度的上限。

优选地，膜的外表面包括多个岛状物，所述岛状物从所述膜的外表面远离所述腔体突出。多个岛状物的使用可以增强在接触界面上的粘附。这些特征导致所提出的软抓持装置在大范围的表面形状和长度尺度上优于常规的粘性系统。

优选地，多个岛状物由柱或纳米凸块形成。这样的凹凸可以简单地在模具中形成，并且为本领域技术人员提供用于改善膜对物体的粘附的多种选择。

有益地，在腔体中存在间隔结构。当施加真空时，存在于腔体中的间隔结构使得能够在腔体中产生均匀的压力，因为间隔结构被配置成当腔体为真空时保持壳体和膜之间的间隔。以这种方式，使得等负载分担方法是可用的。等负载分担方法代表了基于粘附的软系统的新范例，该软系统在处理复杂的3D和可变形物体和表面方面优于先前的微纤丝粘合剂。

优选地，间隔结构附接到壳体的内表面，其中壳体面向该膜(反之亦然)。以这种方式，间隔结构可以一体形成在壳体的内表面上。这些间隔结构的形状、尺寸和间距可根据抓持目的而变化。

优选地，间隔结构包括互连通道。这些互连通道尤其能够均匀地排空腔体的空间，使得当腔体为真空时，通道中的每一个都具有相同的分压。

优选地，间隔结构包括多个柱。柱，尤其圆柱形柱，是简单的且制造成本有效，特别是当柱一体成形在膜的内表面时。

根据抓持装置的设计，膜和壳体由不同的材料制成，或者优选地由同样的材料制成，尤其是例如它们在共同的模具中一体成型，或例如使用在壳体的外缘的粘结层相互粘结。

在优选实施例中，柔性壳体由杨氏模量在10kPa至600MPa范围内选择的材料制成。具有在该范围内的杨氏模量的材料表现出待变形的壳体和膜所需的柔性，使得它们一方面能够抓持感兴趣的物体，另一方面至少基本上彼此相互适应，从而确保腔体内的均匀压力分布。

在这方面，应当注意，壳体、膜和设置在壳体与壳体周边中的膜之间的粘结层中的至少一个的材料自由如下成分组成的组：聚合物、橡胶、复合材料、热塑性材料、水凝胶、相变材料、形状记忆材料、液体材料、VS、PDMS、液晶弹性体、弹性体橡胶、硅橡胶、聚氨酯和上述材料的组合。

有益地，壳体被配置成真空的以便执行抓持功能，其中壳体和膜被配置成适应至少基本上反映待待抓持的物体的表面形状的形状。通过使抓持装置收缩，该抓持装置变形，使得其适应和/或适合于其应当抓持的物体的表面的形状。

在这种连接中，应当注意，当腔体为真空时，间隔结构的多个柱有利地将互连通道隔开并限定壳体和膜之间的间隔。因此，通过使用柱，可以在腔体中和整个腔体中产生至少基本均匀的真空。

在这种连接中，应当注意，简单的注射器可以经由到气压调节器(即，注射器泵)的连接而连接到壳体。然后，该注射器可用于排空壳体中的空气，以使具有膜的抓持装置收缩，使得其可抓持各种物体。

优选地，腔体被配置成真空至相对于大气压的-101.3kPa的压差，尤其相对于大气压的+10至-100kPa范围内的压差。以此方式，抓持装置可完全收缩以达到相对于物体表面的最大粘附强度。

有益地，在壳体和膜之间的间隔结构内存在至少基本均匀的负压差。以这种方式，在膜的整个外表面上实现了均匀的粘附强度。

进一步优选的是，腔体被构造成释放压差或被膨胀，以便执行抓持装置的抓持功能的释放。通过能够重新引入从夹持装置的腔室移除的与移除的气体量相比更多或至少相同量的气体，例如空气，获得具有可逆抓持功能的抓持装置。

为了粘附到三维(3D)表面或物体，当前的粘附系统受到3D表面适应性和高粘附强度之间的基本权衡的限制。这种限制源于对软的、机械顺应的界面的需要，该限制使得能够适应于非平坦和不规则形状的表面，但是显著降低界面断裂强度。在这项工作中，我们用基于粘附的软抓持系统克服了这种权衡，该系统在不牺牲与非平坦3D表面的适应性的情况下表现出增强的断裂强度。

抓持装置由受壁虎启发的弹性微纤维粘性膜组成，该膜由压力控制的可变形的抓持器主体支撑。所提出的软抓持装置通过改变其内部压力并利用界面等负载分担的机制来控制粘结强度。软粘附系统可以利用高达纤维状膜的最大粘附的26％，这比没有负载分担的粘附膜高14倍。所提出的负载分担方法为基于软粘附的抓持和转印系统建议了新范例，其实现了类似于天然壁虎脚垫的面积标度。

本发明的另一方面涉及一种生产抓持装置的方法。所述夹持装置包括：膜；柔性外壳；其中膜固定地连接到壳体的外缘；在膜和壳体之间存在的腔体；以及与连接到该腔体的空气压力调节器(即注射器泵)的连接。该方法包括步骤：

提供壳体和膜；其中膜与壳体一体成型或者在壳体的外缘处粘结到壳体，并且可选地在膜的远离空腔的一侧处在膜上提供岛状物和/或在腔体中提供间隔结构。

附图说明

在以下附图描述中描述了本发明的其它实施例。下面将通过实施例并参考附图详细解释本发明，在附图中示出：

图1a至f为所提出的保持各种3D物体的基于软粘附的抓持系统的示例；

图2a至c为根据图1的软粘附系统的结构、机制和代表性粘附试验的示意图；

图3a至c为用于对在膜(FAM)上的纤维状粘合剂内的垂直应力进行建模的有限元分析；

图4a至f为在用于不同3D几何形状的刚性粘附系统中的分析和力测量；

图5a至f为软粘附系统的表征结果；

图6为与平坦微纤维阵列和生物壁虎粘合剂相比的软粘附系统的标度；

图7为示出用于制造FAM的制造过程的各个步骤的示意图；

图8a和b为PDMS图案和尺寸的3D扫描图像；

图9a至c为在FAM上的蘑菇形弹性体微纤维阵列的SEM图像；

图10为示出用于获得具有FAM的刚性系统的制造过程的各个步骤的示意图(现有技术)；

图11为示出了用于获得具有FAM的软系统的制造过程的各个步骤的示意图；

图12为用于表征粘附系统的定制实验装备的图片；

图13a至e为具有不同边界条件的刚性粘附系统的分析模型的示意图；

图14和b为平坦玻璃表面上的计算反作用力(F_r)相对于撤回距离(z_r)的分布(图14a)和图14b为撤回开始时反作用力分布的放大视图；

图15a和b为刚性和软粘附的FAM的有效粘附功(ω_ad)和粘附应力(σ_ad)的表征；

图16a和b为用于软粘附系统的FAM上的单个微纤维的粘附应力(σ_ad)的表征；

图17示出了具有刚性和软粘附系统的粘附的若干表征结果的详细信息的表1；

图18示出了具有刚性和软粘附系统的粘附的若干表征结果的其它详细信息的表2；

图19示出了详述关于FAM的其它信息的表3；

图20示出了详述关于FAM的其它信息的表4；和

图21示出了详述关于FAM的其它信息的表5；

在下文中，相同的附图标记将用于具有相同或等效功能的部件。关于部件方向的任何陈述都是相对于图中所示的位置作出的，并且在实际使用位置中可以自然地变化。

具体实施方式

图1示出了保持各种3D物体12的基于软粘附的抓持装置10。图1a示出了保持圆形玻璃瓶的抓持装置10，该玻璃瓶填充有200mL液体(总重量为307克)。图1b至1d示出了在不同位置处保持用作物体12的118克的咖啡杯的抓持装置的各种视图。在图1b中抓持装置10接合咖啡杯12的外表面，即，凸形的表面。图1c示出了抓持装置10接合咖啡杯12的内表面，即，凹形的表面。图1c示出了抓持装置10抓持咖啡杯12的把手14。图1e示出了抓持装置10抓持仍附接到其藤蔓上的樱桃番茄，藤蔓包括总共重41克的两个番茄。图1f示出了抓持装置10抓持139克的塑料袋12。在图1中所示的标度尺相当于10cm。

图1a至f因此示出了对抓持装置10的内部压力的控制使得能够在抓持装置10的膜7的整个表面12上实现相等的负载分担(参见图2)。以这种方式，膜7用作通用的夹持界面，该通用抓持界面能够抓持从凸面到凹面、从光滑到粗糙、从刚性到弹力和/或弹性的各种不同的3D表面。

所给出的弹性粘附抓持装置10通过两个基本机制的组合来增加对物体12的粘附(i)使用负压差来更均匀地将负载分布在界面上，以及(ii)利用弹性抓持装置10响应于减小的腔室压力的被动变形，这可以防止粘附膜7在高负压差下从物体12剥离。

因此，与本发明一致的，已经发现在腔体和环境之间使用压差对于增强膜背衬的微纤维阵列在弯曲几何形状的宽度范围上的粘附是有效的。

这通过所描述的用于抓持致动的装置来实现，并且不需要引入额外的硬件(包括传感器和电子器件)。实验结果表明，在微纤维8之中(见图2a)与物体12的表面接触的压力控制的负载分担不仅增强粘附，而且导致类似于天然壁虎的粘性系统的面积标度规律。这种面积标度性还没有在其它微纤维粘合剂中实现，并且提出当抓取具有3D非平坦的几何形状的物体12时，改善的界面负载分担是关键的。

图2具体地示出了本发明的抓持装置10，其具有壳体5、膜7、在壳体5和膜7之间的腔体18、形成到腔18的连接通道的硅树脂管1、以及在外缘9的区域中存在于膜7和壳体5之间的乙烯基硅氧烷的粘结层2。外壳3也可选地存在，其接合壳体5上的橡胶环4，以便于其操作。

图2a(I)示出了抓持装置10的部分截面示意图。抓持装置10包括其上形成有岛状物的膜7，岛状物以从膜7的表面突出的微纤维8的形式设置。抓持装置10还包括柔性壳体5。膜7固定地连接到壳体5的外缘9。腔体18存在于膜7和壳体5之间。为了能够在腔体18中引起负压力，存在与空气压力调节器4(在本实例中为注射泵4)的连接，该空气压力调节器4经由气体传导通道1以气体传导方式连接到该腔体18。

可以想到膜7的两种基本不同的变型，一种是在膜7的外表面20上不需要岛状物，另一种是在膜7上存在岛状物(突起)，其中岛状物能够由柱或纳米凸块等形成。

在腔体18中存在间隔结构6。在本实例中，间隔结构6附接到壳体5的内表面22，其中内表面22面向该膜7。在该示例中，间隔结构6包括多个圆柱形柱24(参见图2a(II))且空间26存在于圆柱形柱24之间并且也被称为互连通道26。在圆柱形柱之间形成的空间26使得施加到腔体的负压力能够均匀地分布在抓持装置内。

图2A详细示出了所提出的软粘附抓持装置20的结构特征。膜7上的纤维状粘合剂(FAM)由软的可变形的腔室5支撑，该腔室5连接到注射泵4以允许控制系统内部压力(图2a-I)。软抓持器腔室18的直径为18mm，厚度为600μm，并且包含由软且高度可伸缩的硅树脂弹性体制成的直径为400μm的柱状内部间隔件26。软腔室18由3D印刷的塑料外壳28支撑，确保在膜7的整个接触区域上均匀分布的预负载。

使用乙烯基硅氧烷(VS)弹性体粘结系统的每个硅树脂部件。这意味着该VS设置在外缘9的区域中，以确保膜7和壳体5之间的密封连接。FAM 7由一组垂直对齐的蘑菇形聚二甲基硅氧烷(PDMS)微纤维8组成，其尖端直径为69μm，间距为31μm，高度为42μm，由厚度为250μm的PDMS薄背衬层支撑(图8和9)。因此，壳体5和膜7由相同的材料制成。也可以省去粘结层2并且一体地形成壳体5和膜7，例如在注射成型过程中。

在这方面，也可以使用多阶段制造过程由不同的材料形成膜7和壳体5。

在这方面，应当注意，壳体5和膜7可以由以下材料制成：聚合物、橡胶、复合材料、热塑性材料、水凝胶、相变材料、形状记忆材料、液体材料、VS、PDMS、液晶弹性体、弹性橡胶、硅树脂胶、聚氨酯。

还应当注意，膜7和壳体5可以具有在10kPa至600MPa的范围内选择的杨氏模量。以这种方式，壳体5和膜7的材料是具有柔性的顺应材料，该柔性选择成适应和/或适合于抓持装置10意图抓持的物体12的表面的拓扑结构。

如图2a-II所示，微纤维8(图2a-II)覆盖膜7的整个区域，从而在待附接的抓持装置10的基底12和膜7之间设置间隙，允许空气基本上不受阻碍地行进通过接触界面，防止可能有助于软系统粘附的任何吸力的发展。例如，如果夹持装置用于粘附到人或动物的皮肤上，则皮肤仍然可以正常地呼吸和出汗。FAM 7可以使用湿的或干的工艺来清洁，从而允许可靠的和重复的性能，这否则可受到灰尘、油或污垢的累积的影响。

如下面将示出的，腔体18被配置成真空的，以便利用抓持装置10执行抓持功能。为此目的，壳体5和膜7被配置成适应至少基本反映待抓持物体12的表面形状的形状。优选的是，腔体被配置成相对于大气压力真空至负压差，例如优选在+10kPa至-100kPa或甚至高达-101,3kPa的范围内。

优选地，在壳体和膜之间的间隔结构内存在至少基本均匀的负压差。

为了松开被抓持的物体12，抓持装置10，即腔体18可以供应有气体，典型地为空气，以便被再充气到至少大气压或者甚至到正功能，以便执行抓持装置的抓持功能的释放。

还应当注意，空隙存在于岛状物之间，空隙的表面积与岛状物的表面积之比限定了在该膜7上的岛状物的密度。在本实例中，形成为微纤维8的形状的岛状物与膜7是一体的。

还应注意，岛状物具有在10^-4至10⁴的范围内选择的纵横比，优选在0.01至1000的范围内，最优选在0.1至10的范围内，特别是在1至5的范围内。

负压差(ΔP)对负载分担的影响如图2b所示。在此，内部压力(P_i)对应于在抓持器腔室18、管道和注射泵中的空气压力，并且总是正的。压力差被定义为腔体18中的内部压力减去大气压力(P_atm)，并且可以是正的或负的。因此，负压差意味着内部压力的绝对值低于大气压力(101.3kPa)。

同样，高的负压差表示内部压力显著低于大气压力。在高负压差下，大气压力迫使腔室18在FAM 7上塌陷(图2b-I)。这意味着壳体5的形状至少基本适应膜7的形状，膜7的形状又至少基本适应待由抓持装置10抓持的物体12的表面。

腔室18中的间隔件24(图2b-III6)确保FAM 7即使在腔室18已经塌陷时也暴露于压力差(图2b-III)。相比于在拉动过程中在大变形下剥离并表现出不良粘附的典型粘附系统，抓持系统10受益于变形，因为其允许软腔室18中的间隔件从背衬升起并使膜的较大区域暴露于负压差。这又通过使负压差能够更均匀地分布界面拉伸应力并提高粘结强度(F_ad)来增强负载分担(图2b-II)。

图2C示出了软粘附系统10的代表性的力测量，其具有相应的力(圆直线)和压力(十字虚线)曲线。图2c-III给出作为时间(t)的函数的反作用力(F_r)。首先，软粘附系统靠近基底(图2c-I1)并以在界面处引起的压缩预负载力(F_pre)与之接触(图2c-I2)。预负载为如图2c-III所示的最大反作用力，范围从0.5N到1.0N，取决于基底的曲率半径。

在预定的接触时间期间，将负压差施加到软腔室18的内部，然后以50μm·s^-1的卸载速度缓慢地撤回系统，以最小化对粘附的可能的粘弹性影响。该撤回(图2c-I3)开始时的压差被定义为初始压力(ΔP_o)，其可以是正的或负的。在撤回过程中，反作用力减小，直到达到拉脱力(F_off)(图2c-I4)，这对应于图2C-III中的最小反作用力。在达到拉脱力之后(图2c-I5)，软粘附系统10立即从基底12上脱离，如图2c-III所示。

使用弹性和稳定电势的原理来检验内部压差(ΔP_o)对与表面12接触的微纤维8′之间的负载分布的影响，并估算膜7在弯曲表面12上的粘附。为了定性地理解纤维之间的负载分布，采用2D平面应变线性弹性对FAM上的轴对称阵列进行建模。

如图3a所示，FAM简化为不可压缩的Hookean固体(杨氏模量E_m＝2.1MPa)，其直径L_m＝2.15mm，厚度h₀＝250μm。FAM的边缘经受对应于其厚度的5％的垂直位移(u₀)。每根微纤维的宽度L_f＝50μm，高度h_f＝50μm，间距L_g＝50μm，并假定在规定的负载条件下与基底保持接触。

控制Navier-Lame方程遵循Hookean固体内无散度应力的标准位移公式，并在下面讨论的I中给出。特别有益的是微纤维内的垂直应力σ₂₂，其通过杨氏模量E_m归一化。定义归一化的表面压力也是方便的。在不存在负压差(即，)的情况下，当膜的边缘(厚度h₀)被提升规定的垂直位移(图3b)时，应力集中在最外面的纤维中。增加压力导致更均匀的应力分布，其中中心纤维处的垂直应力(σ_22,c)接近边缘处的应力(σ_22,e)。参见图3c，比值σ_22,e/σ_22,c稳定地减小，并且对于足够高的负压差甚至可以下降到1.0以下。虽然这些结果基于2D平面应变弹性，但是它们仍给出了关于如何使用负压力来控制轴对称系统内的负载分布的定性见解。

基于最小势能原理的分析用于研究内部空气压力对膜7粘附到非平坦的3D几何形状的影响。

如图4a所示，该刚性形式的粘附系统由圆形FAM 7组成，该圆形FAM 7沿其边缘由半球形腔室支撑。与软腔室5相比，腔室的直径同样为18mm，但是壁部稍微厚1mm。与软抓持器一样，用于刚性抓持器的FAM 7由PDMS构成，并且具有250μm的厚度。通过消除腔室的弹性变形并且允许我们替代地关注膜的变形，检查该可选的系统简化了分析。特别地，它使我们能够检查各种设计参数(例如，膜厚度和弹性模量)的影响并且识别导致更均匀的负载分担控制的条件。

图4a示出了在负压差(ΔP_o)下刚性粘附系统从球形基底上拉脱的示意图。箭头表示反作用力(F_r)的方向。

与纤维阵列负载分布模型一样，膜粘附理论的目的是建立对负差压如何影响界面力学的定性理解。为了进一步简化分析，同时仍然保持控制粘附的主要机制，我们做出以下假设。首先，假设纤维状界面是非结构化的平坦的粘性表面。接下来，假定弹性FAM 7是不可压缩的，在整个区域上具有均匀的厚度，并且变形为截头圆锥体的形状。这些假设意味着在圆周(λ_ρ)、经线和厚度(λ_t)方向上的主拉伸为: 和这种变形形状的简单几何假设对于承受相对低的负压差(ΔP_o)和高粘附功(ω_ad)的膜是合理的。这里，R₀为FAM的半径，为8mm，r_b为弯曲表面的半径，z为刚性粘附系统相对于原点(o)所在曲面的顶部的垂直位置，r为在给定z处的接触半径(图4a)。

模型的详细信息见下文中的第II部分。图4b示出了刚性系统和平坦玻璃基底之间的反作用力(F_r)的计算分布，其取决于相对于撤回距离(z_r)的不同初始压力。在撤回(卸载)发生之前，内部压力的减小将软粘附系统拉向界面，这解释了图4b中的初始负反作用力。只要FAM的粘附能够承担所施加的内部压力，则初始反作用力的减小可以通过初始压力乘以实际接触面积来估算。然而，这种粘附不是由任何吸力引起的，而是由与表面接触的纤维之间的界面负载的均匀分布引起的，如图3所示。

在撤回开始时，反作用力显示出显著下降，直到接触的FAM 7的边缘达到其临界界面强度并且开始剥离。根据所给出的模型，在初始接触面积较小的情况下，该下降变得较不急剧，需要较长的撤回距离来达到用于剥离的临界界面强度(图14)。在通过急剧下降过渡之后，反作用力根据粘性膜的剥离机理开始增加，直到FAM完全分离。

更高的负压差可通过将负载更均匀地分布在整个接触区域上而导致刚性粘附系统的更高的拉脱力(图4b)。同时，当FAM 7被拉入刚性粘附系统的内部腔室时，负压差可通过额外的拉伸应力和由膜7的变形引起的更高的剥离角度来加速FAM 7的分离(图13c)。图4b示出了对于各种初始压力(ΔP_o)，在平坦玻璃表面上的计算的反作用力(F_r)分布与撤回距离(z_r)的关系。

图4c和4d示出了对于FAM的各种设计参数，直径(db)在10mm至500mm范围内的球形玻璃基底上的拉脱力(F_off)的计算。特别是图4c示出了对于不同的厚度(h₀)(I)和杨氏模量(E_m)(II)，作为玻璃球的直径(d_b)的函数的计算拉脱力(F_off)。图4d显示了对于不同的粘附功(ω_ad)(I)和初始压力(ΔP_o)(II)，作为玻璃球直径(d_b)的函数的计算拉脱力(F_off)。在所有这些曲线图中，默认参数值为h₀＝0.2mm、E_m＝2.1MPa、ω_ad＝4.0J·m^-2、ΔP_o＝0kPa。(e)取决于不同的初始压力，测量平坦玻璃表面上相对于撤回的反作用力分布。(f)取决于初始压力，测量在具有不同曲率的玻璃基板上的拉脱力。每个点表示5次测量的平均值，误差条为±1SD(标准偏差)。结果表示，它的厚度(h₀)和杨氏模量(E_m)对于增加小球形几何形状的拉脱力是无效的(图4c)。

另一方面，有效粘附功(ω_ad)和负压差(ΔP_o)均可增大所有球形几何形状的拉脱力(图4d)。一旦制造膜，主动调整有效粘附功通常是困难的。用于调整的潜在方法包括加热、静电充电或其它形式的主动刺激。图4D-II中的分析预测了对于所检验的3D表面曲率的整个范围，相对于初始压力减小4kPa，粘附可以加倍。

图4f示出了在直径为15mm、30mm和60mm的平坦和球形玻璃基板上测试的对于不同初始压力的刚性粘附系统的拉脱力。图4e中还给出了附着在平坦基底上的实验测量的反作用力分布。FAM的有效粘附功和相应的粘附应力估算分别为4.1J·m^-2和101kPa(图15b和表3(图19))。借助于注射泵中的体积变化，取决于球形曲率施加各种初始压力。正初始压力是在预负载期间当没有空气体积被抽出时由系统的压缩引起的。

图4e中的平坦玻璃基底12上的实验反作用力显示出与理论模型(图4b)合理的定性一致性，对于这种方式，初始压力的减小导致更高的拉脱力和更短的用于分离的撤回距离。图4f中测量的拉脱力接近于以实线示出的理论预测，与实验结果的平均误差仅为11％。在直径为30mm的玻璃球上适用的最大负初始压力仅为-4.1kPa，且在直径为15mm的玻璃球上则变得甚至更小。对于后一种情况，最大负压力降至-0.7kPa，且对应于小的接触面积和较低的抗剥离性，如图4f所示。平坦玻璃上的拉脱力增大了2.2倍，而直径最大为30mm的玻璃球上的拉脱力增大了5倍。我们观察到直径为15mm的球体上的拉脱力仅提高1.2倍。

刚性系统在增加界面粘结强度方面确实显示出一些来自负压差的益处。然而，当对各种非平坦的3D几何形状施加高负压差时，完全软的粘附系统通过克服一些限制表现出甚至更显著的改进。如图2b-I所述，软腔室5的变形消除了不利的气穴，允许所有被检查基底(直径为15mm、30mm、60mm的玻璃球、平坦玻璃和由00-30(Smooth-On Inc.)制成的厚度为400μm的软弹性体膜)的高负压差超过-50kPa。这大约是刚性系统可能的最高负初始压力的10倍。特别地，软粘附系统10上的FAM 7保持接触并且以70倍大的负压差增强对15mm直径玻璃球的粘附。

软粘附系统10的FAM 7的比刚性系统的粘附更低，其显示出分别为3.3J·m^-2和73kPa的有效粘附功和粘附应力(图15a和表4(图20))。图5b示出了作为不同初始压力(ΔP_o)的函数的软粘附系统的拉脱力(F_off)测量值。通常，拉脱力随着ΔP_o而增大，并且当压力在-40kPa和-50kPa之间时，拉脱力收敛到最大值。然而，该最大拉脱力的90％可以通过大约-35kPa的压差来实现。在平坦玻璃上，与没有高负压差的力相比，软粘附系统的拉脱力增加了5.4倍。特别有益的是对于高度弯曲的3D几何形状(如15mm直径的玻璃球)示出的优良性能，对于该性能，可将拉脱力提高6.7倍。即使在FAM和许多其它粘合剂容易剥离的可变形和可伸缩的基底上，软系统也可在高负压差下保持接触并将剥离力提高7.2倍。

图5c示出了在不同基底上的软粘附系统的转化率(σ_ad/ΔP_o)，定义为由施加的初始压力(ΔP_o)归一化的粘附应力(σ_ad)的百分比。软粘附系统在低负压差下表现出高转化率，因为在FAM上的微纤维仍然可以在不依赖于压差的情况下施加一些粘附。在-10kPa下，在15mm直径的球形玻璃上显示出甚至高于100％的转化率。

另一方面，在高负压差下，当系统不能实现与所施加的负压差一样高的粘附时，转化率显著降低。在不同直径的球形玻璃中，较小的球体显示出较高的转化率。在60mm直径的球体与平坦玻璃之间的接触面积相同的情况下，平坦表面显示出比弯曲基底更优的转化率。

通常，在玻璃上的初始压力为-35kPa时，软粘附系统可达到约30-50％的转化率。然而，这些值高度依赖于膜的粘附性。如图5b中所示，软粘附系统不能在橡胶膜上获得与在玻璃基底12上一样高的粘附，对于所有初始压力的转化率都低于20％。这导致我们的结论是，如果使用更多的粘性膜，则玻璃基底上的转化率将更高。因此，本粘附系统的最大容许粘附基本上受到纤维-表面接触界面的最大粘附强度的限制。然而，负压差将改变界面负载如何在与表面接触的微纤维8中分布，并且在接触的总和能够支持的限度内增强粘附性能。

先前的微尺度接触实验已经揭示了具有优化的尖端形状的微纤维8由于相等的负载分担而显示出更大的拉脱力，以用于分离的更长的撤回距离伴随着快速的裂纹扩展为特征。通过改善负载分担，该软系统在具有4个数量级的更大接触面积的宏观尺度上实现了类似的特性。与刚性系统的较高拉脱力所伴随的短撤回不同，图5a示出了本软系统可以增大拉脱力，同时通过负压差延迟分离。

图5示出了软粘附系统的表征结果。图5a示出了由于高负压差(ΔP)而在平坦玻璃基底上完全塌陷的软系统、以及在平坦玻璃表面上相对于撤回测量的反作用力(F_r)根据不同的初始压力(ΔP_o)如何分布的示意图。图5b示出了根据初始压力在各种基底上测量的拉脱力(F_off)。图5c示出了作为初始压力的函数的各种基底上的转化率(σ_ad/ΔP_o)。图5b和图5c中的每个点表示5次测量的平均，误差条为±1SD。图5d示出了在不改变内部压力(P_i)(I)的情况下并且在高负压差(II)下从平坦玻璃拉脱的软系统的示意图。

图5e示出了在1.7kPa的初始压力(I)下从平坦玻璃12拉脱的软系统10的侧视图，以及接触界面(II)的相应显微镜图像。估算的裂纹扩展速度为1.5m·s^-1。

图5f示出了在-52kPa的初始压力(I)下从平坦玻璃12拉脱的软系统10的侧视图，以及接触界面(II)的相应显微镜图像。估算的裂纹扩展速度为179m·s^-1。图5g示出了软体系的接触界面的显微镜图像，其中较少的粘性FAM在初始压力-46kPa下从平坦玻璃拉脱。(e-II)、(f-II)和(g)中的标度表示1mm。FAM分离的时刻被设置为0秒(0s)。

图5d、5e和5f分别示出了在平坦玻璃界面上的软系统的示意图、侧视图和显微镜图像。在不存在负压差的情况下，软腔室不发生塌陷，FAM在接触边缘处经历高应力集中(图5d-I)。这会导致在8mm的短撤回距离期间(图5a、图5e-I)的从界面(图5e-II)的缓慢剥离。相反，软腔室在高负压差下塌陷并强烈地抑制FAM的剥离，以允许软系统保持接触以达3倍大的撤回距离(图5f-I)。当软系统被拉脱时，软腔室的非常大的拉伸导致比临界剪切应力更高的剪切力，引起剥离，且FAM开始从接触边缘分离(图5d-II)。由于相等的负载分担界面可以承受高拉伸力，接触面积的小损失可以触发整个FAM的立即分离(图5F-II)。在这种情况下，裂纹扩展大约比没有负压差的情况快110倍，这强烈地表明相等载荷分担的显著影响。

在所给出的实验装备所允许的负压差范围内，用于软系统的FAM 7总是与接触边缘分离。如图5g所示，然而，当我们使用较少的粘性FAM 7(有效粘附功和粘附应力分别为3.1J·m^-2和56kPa)时，类似量的负压差可以引起在中心处开始的裂纹扩展。图5e、5f和5g中的结果示出了软粘附系统10能够通过利用被控制的压差改变大面积上的负载分布来操纵裂纹萌生，如在图3所示的分析中的理论预期。

由于两个系统上的FAM具有不同的有效粘附原理，因此不能直接比较软粘附系统和刚性粘附系统之间的拉脱力。为了比较刚性系统和软系统相对于负载分担方面的性能，采用粘附效率(ε_ad)，其被定义为由FAM 7上的微纤维阵列的粘附应力归一化的粘性系统的粘附应力的百分比。

如果负载在整个界面上均等地分担直到分离，则粘性系统将达到微纤维阵列的最大粘附应力(即，ε_ad＝100％)。在负压差作用下，刚性粘附系统为在平坦玻璃表面12上的粘附效率仅最大粘附效率的6.6％。如果没有空气从腔室中移除，则在60mm直径的玻璃上效率下降到1.8％，并且界面容易失效。另一方面，软粘附系统可以在平坦玻璃上利用高达19.5％的粘附效率。该系统对于没有建立完全接触的小的且高度弯曲的几何形状甚至更有效。在15mm直径的玻璃上，最大粘附效率约为25.7％，这是在非平坦的表面上没有压力控制的刚性粘附系统效率的14倍。

关于刚性和软粘附系统的表征结果的更详细的信息分别在图17和18中给出。在图1中，软粘附系统的可逆负载分担机制被示出为软粘性拾放抓持器10，使得能够操纵具有复杂3D和可变形几何形状的各种物体。软粘附系统可以符合凸的(图1b)或凹的曲率(图1c)，并提供足够高的有效负载以支承超过300克的、接触面积为2.5cm²的(图1a)。在图1d中，软系统可以增加在比FAM更小的高度弯曲的几何形状上的粘附，并且在图1b和1c中的完全接触的情况下尽可能多地提起重量。与壁虎的生物足毛不同，合成微纤维对表面粗糙度高度敏感，需要诸如玻璃的非常光滑的表面，以获得高粘附。然而，软体系可增强微纤维在如樱桃番茄的轻微粗糙表面上的弱粘附(图1e)。软粘附系统还成功地用于处理软的和可变形的表面，这对于基于刚度可调的材料的可控粘附机制是不可能的。如图1f所示，即使当物体在操纵期间变形并且有效地保持粘性附着时，软系统也保持接触。

理想地按比例放大的宏观尺度粘附系统与它们的微观尺度对应物相比将没有粘性力的损失。相等的负载分担在接近理想的粘结条件和在规定的接触面积(A_c)上最大化负载能力中起关键作用。壁虎已被用作判断人造粘附系统的标度效率的基准。尽管据报道，壁虎粘附系统的剪切应力(σ_sr)(从单个刚毛的粘结到两足的附着)遵循在平坦玻璃表面上的标度幂次规律σ_sr∝A_c ^-0.24，但由于壁虎的粘附与摩擦强烈耦合，因此无法对纯法向粘附应力(σ_ad)的标度规律进行结论性估计。已经发现，对于从刚毛到动物水平的范围，壁虎在与剪切力耦合的粘附上的标度趋势与其在剪切应力上的标度非常相似。因此，假定壁虎在横向和法线方向上具有相似的标度效率，将壁虎在剪切方向上的标度作为标准来评估粘附系统在粘附应力上的标度性能。

将单个纤维、微纤维阵列和软粘附系统在不同尺寸的球形和平坦玻璃基底上的粘附应力与壁虎足毛的剪切应力进行作图，如图6所示。具有小接触面积的单个纤维和微纤维阵列的粘附应力的估算在图16和表5中详细示出。用最小二乘法将固定在刚性背衬上的单个纤维与微纤维阵列之间的标度关系估算为σ_ad∝A_c ^-0.12的幂律，用虚线a表示。这种标度关系提供了具有纤维状粘合剂的粘附系统能够达到最大的标度效率的理论上限。

与在刚性背衬上的单个纤维和微纤维阵列的情况不同，顺应FAM 7在软负载分担系统10上的粘附应力偏离理论最大值的线性趋势，这是由于引入应力集中导致断裂强度的显著损失。图6中的虚线b和c示出了从单纤维、微纤维阵列和整个软系统的由最小二乘法计算的软系统的标度趋势。在无负压差(图6中的虚线c)的情况下，应力集中导致不良的σ_ad∝A_c ^-0.41的标度性。在高负压差下(图6中的虚线b)，在另一方面，软负载分担系统可以使相同顺应膜的应力集中最小化，并通过将其恢复到σ_ad∝A_c ^-0.12来提高标度效率，这略高于各种平坦和弯曲3D表面上的壁虎的标度效率。

图6示出了与平坦微纤维阵列和生物壁虎粘合剂相比的软粘附系统10的标度。壁虎足毛粘附的标度是用于在平坦基底上的剪切应力(σ_sr)，而软系统中的其它结果用于是3D曲面(圆)和平坦表面(菱形)上两者的法向粘附应力(σ_ad)。虚线a、b和c是在具有(虚线b)和没有(虚线c)负初始压差的情况下，在平坦玻璃和具有15、30和60mm直径的球体上测量的单个纤维、微纤维阵列和软体系的粘附应力的最小二乘趋势。虚线a是从单个纤维到微纤维阵列的标度。每个数据点表示5个实验测量的平均值。

用关于σ_ad∝A_c ^-0.02的标度系数，对平坦或稍微弯曲表面上的剪切应力进行了合成粘结系统的研究。软粘附系统是具有几何形状不敏感的负载分担的第一人造粘附系统，其面积标度效率与天然壁虎的粘附系统的面积标度效率相当。因此，软粘附系统的概念可以在大范围的粘附应用中提供显著的益处，该粘附应用在各种尺寸的3D表面上需要高粘附。这包括能够处理大范围尺寸和曲率的刚性和可变形基底的转印系统和机器人操作器，以及能够在复杂3D表面上攀爬的移动机器人，例如飞机、航天飞机或管道表面。

尽管软弹性体系统具有高3D表面适应性，但是在高负载下的大量拉伸在接触边缘处产生剪切应力，导致应力集中。将软的但不可拉伸的弹性体用于腔室可解决该问题并进一步提高性能。所给出的工作专注于通过相等的负载分担来增强膜7的粘附能力，并且没有试图优化粘附系统10的性能以释放轻质物体12。

先前，利用膜7的拉伸来剥离接触的微纤维8，导致FAM的粘结强度降低至单个纤维的粘附。将所提出的软负载分担机制与未来的可拉伸的FAM 7结合，利用被控制的压差可以实现在粘附中的高负载能力和可控性。在FAM 7的分析模型中，即使在降低的内部腔室压力下，结构化纤维状表面也被近似为平坦表面，并且变形形状被简化为截锥。考虑纤维状结构以及膜变形的更现实的运动学，将允许更定量精确的预测模型。这种模型代表了未来工作的潜在机会。特别地，它可以导致对软的且结构化的界面的接触机制的进一步洞察，并且可以用于特定应用的优化的软系统设计中。

图7示出了用于制造FAM 7的实验过程。在第一步骤中，提供其中形成有腔体42的模具40，并且PDMS前体材料44分布在该模具40上，以便填充腔体42以在腔体42中形成岛状物8。此后，通过使用棒式涂料器46来限定膜7的厚度，在本示例中为250μm。然后允许PDMS材料44在90℃下固化1小时。

此后，将其上形成有具有微纤维8的形状的岛状物的膜7脱模。为了增加膜7和物体12之间的接触表面，岛状物的尖端可以设置有诸如PDMS或VS的材料层，以形成蘑菇头形状的岛状物。为了形成蘑菇头，在玻璃基底48上施加20μm厚的PDMS或VS膜50，并且在着墨工艺中将岛状物引入PDMS或VS中。允许PDMS在90℃下部分固化3分钟，然后将岛状物插入PDMS-墨50中并涂覆这些。此后，将PDMS-墨50覆盖的岛状物放置在硅晶片52附近，并最终在90℃下固化60分钟。在从晶片52移除膜7时，岛状物具有形成在其上的头部。

通过复制先前报道的SU-8光刻模板获得包含圆柱形腔体42的软PDMS模具40。将184硅氧烷基料和固化剂以10:1的比例混合，脱气并浇注在圆柱形腔体中成形的PDMS模具上。通过棒式涂料器(K-Hand-Coater，Erichsen GmbH&Co.KG)移除过量的预聚物，产生ca.250μm薄背衬层。将样品在90℃的真空烘箱中固化1小时并脱模(图7)。接收到直径为52μm、间距为48μm、高度为38μm的微图案(图8)。将预聚物倾倒在玻璃板上，并通过薄膜敷料器(Multicator 411，Erichsen GmbH&Co.KG)形成厚度为ca.20μm的薄膜。将聚合物薄膜在烘箱中于90℃下预固化3分钟。

图8示出了形成在膜7上的PDMS图案和尺寸的3D扫描图像。图8a示出了具有52μm直径、48μm间距和38μm高度的圆柱形PDMS图案的3D图像(I)和轮廓(II)。图8b示出了具有69μm直径、31μm间距和42μm高度的蘑菇形PDMS图案的3D图像(I)和轮廓(II)。注意，蘑菇形图案的柱杆不能测量，因为它们被伸出的尖端覆盖。

图9示出了在FAM 7上蘑菇形弹性体微纤维阵列8的SEM图像。顶部如图9a和图9b所示，示出了蘑菇形微纤维阵列8的侧视图，其直径为69μm、间距为31μm、高度为42μm。图9c示出了由厚度为ca.250μm的薄背衬层支撑的FAM7的侧视图。

图10示出了现有技术的制造刚性粘附系统的方法。为此目的，可以使用如前面所讨论的FAM 7。利用CAD软件(SolidWorks)来设计、并使用VeroClear^TM作为刚性材料通过3D打印机(Objet260 Connex，Stratasys Ltd.)来制造刚性腔室。用1mol的NaOH溶液彻底清洗打印的刚性腔室，以移除支承材料。通过将腔室着墨到底漆(1200OS Primer，Dow)中进行腔室表面上的表面改性，随后在室温下进行30分钟的干燥步骤。表面改性对于确保腔室和FAM之间的强粘结是重要的。

将硅酮粘合剂(Smooth-On Inc.)倾倒在玻璃板和通过膜敷料器(Multicator 411，Erichsen GmbH&Co.KG)产生厚度为ca.50μm的薄膜。将该腔室着墨到薄膜中，并置于FAM上。在室温下固化30分钟后，FAM与刚性室牢固粘结(图10)。

图11示出了用于制造软粘附系统10的实验过程。该示意图示出了用于获得具有FAM 7的软系统10的制造过程的各个步骤。

将在先前步骤中制造的圆柱形纤维8手动放置在预固化的薄PDMS-膜50上，以用PDMS-墨50覆盖纤维8的尖端，并放置在全氟化硅晶片52上。聚合物膜的预固化是必要的，以便增加其粘度，并从而增强聚合物材料向纤维的转移，以产生最佳的蘑菇形尖端8’。在90℃下固化1小时后，小心地剥离打印的图案，并获得具有微米级的尖端直径、微米级的间距和微米级的高度的蘑菇形微纤维的FAM 7(图8和9)。

为了制造壳体5，通过复制成形为腔室18的3D打印复合模型来获得由00-30(Smooth-On Inc.)制成的阴模66。复合模型60用CAD软件设计并由3D打印机(Objet260Connex，Stratasys Ltd.)使用VeroClear^TM作为刚性材料和TangoBlack^TM作为软材料制造。刚性轴允许模型稳定性，而软体促进剥离。

用1mol的NaOH溶液彻底清洗打印的腔室模型60，以移除支承材料。腔室模型60使用双面胶带固定在小塑料陪替氏培养皿62中。将1:1比例的00-30预聚物和交联剂混合、脱气并浇注到陪替氏培养皿中，并在室温下固化6小时(图11)。在弹性体64固化之后，小心地脱模软腔室5的复合模型60。

将制成的软腔室5的阴模66在氧等离子体中在100W下处理2分钟，随后在真空中使用十六氟-1,1,2,2-四氢辛基三氯硅烷进行表面改性1小时，并在90℃下固化30分钟。模具66的全氟涂覆对于在随后的复制过程中降低铸造材料的粘附是重要的。

模具66由两个部件组成，腔室5的软阴模和薄金属棒，薄金属棒用于间隔件以在腔室5中形成空气通道1，腔室5中形成有腔体18(图11)。将1:1比例的00-50(Smooth-On Inc.)部分A和B被混合、脱气并使用注射器注射到阴模66内。在室温下固化6小时后，将软腔室5小心地从模具66脱模。

将乙烯基硅氧烷前体68(Medium Flow，Heraeus Kulzer GmbH)施加在玻璃板70和由膜敷料器72(Multicator 411，Erichsen GmbH&Co.KG)产生厚度为ca.50μm的薄膜74。将软壳体5的外缘9手动浸入VS-聚合物膜74中并放置在FAM 7上。乙烯基硅氧烷68在壳体5的外缘9中在室温下固化5分钟之后在软腔室5和FAM 7之间产生强粘结层2。

图12示出了用于表征粘附系统的定制实验装备100。定制的粘附测量装备100安装在具有摄像机(3，Point Grey Research Inc.)的倒置光学显微镜102(AxioObserver A1，Zeiss)上，以可视化和记录接触界面。

通过高分辨率测负载传感器104(GSO-25、GSO-500、和GSO-1K，Transducer)测量粘附系统10和基底12之间的反作用力。负载传感器104在z-方向上附接在计算机控制的高精度压电运动平台106(LPS-65 2"，Physik Instrumente GmbH&Co.KG)上，分辨率为5nm，最大速度为10mm·s^-1。y-方向采用远程电机平台108(M-605 2DD，Physik Instrumente GmbH&Co.KG)，分辨率为1μm，最高速度可达50mm·s^-1。

基底在显微镜的聚焦范围内固定到样品保持器110上，并通过压电平台112(LPS-65 2"，Physik Instrumente GmbH&Co.KG)在x-方向上移动。此外，通过手动xy平台-112(NFP-2462CC，Positionierungstechnik Dr.Meierling)确定x-和y-方向上的精细位置。根据基底通过两个测角器113(M-GON65-U，Newport)调节角度偏移。将精度为±0.35％的注射泵114(Legato^TM 210P，KD Scientific Inc.)用于粘附系统内部的压力控制。

压电平台106、108、110的运动和数据采集由Linux(Ubuntu^TM，Canonical Ltd.)中的定制代码执行。该程序允许自动数据采集并且使用户能够控制在x和z方向上的速度、预负载、位移以及接触时间。负载传感器104经由信号调节器(均未示出)(BNC-2110，NationalInstruments)连接到计算机，并且力信号作为电压通过数据采集板(PCIe-6259，NationalInstruments)输出。压电平台的运动控制通过电机控制器(E-861，PhysikInstrumente GmbH&Co.KG)进行。

进行数值计算，以获得在不同压差(ΔP_o)下从平坦基板向上拉FAM时FAM内的垂直应力(σ₂₂)。FAM被简化为不可压缩的Hookean固体，其尺寸和边界条件详见图3a。通过在2D中对轴对称系统建模并假设平面应变条件来进一步简化分析。

弹性变形由位移场u＝u₁(X₁,X₂)E₁+u₂(X₁,X₂)E₂表示，其中笛卡尔坐标X₁和X₂以及欧几里德基数E₁和E₂分别对应于水平和垂直方向。根据胡克定律，E₁-E₂平面中的应力具有分量(1)

在静态平衡条件下，应力张量σ必须满足平衡律其中其中 对于2D平面应变弹性，无散度应力意味着以下形式的Navier-Lame方程：

其中ψ＝(1-ν)/4。方程2的解必须满足以下边界条件：在膜与基底接触的情况下，u₁＝u₂＝0，在膜边缘处u₁＝0和u₂＝u₀，沿着膜的顶部s₂₂＝ΔP_o，以及在其它任何地方的其中n是表面法线。使用MATLAB(R2015a；MathWorks,Inc.)中的pdenonlin函数，用有限元法求解所得到的边界值问题。

与球形弯曲基底接触的刚性系统上的FAM如图13所示。采用附加的边界条件和方程来考虑在压力差作用下薄膜在球形基底上的粘附机理。

系统垂直位置(z₀)和接触半径(r_i)的初始边界条件将根据FAM相对于弯曲表面的尺寸而不同(图14)。在球形表面大于粘性膜的情况下(r_b≥R₀；图13b)，FAM在撤回之前实现完全接触，使得

应当注意，位置z是相对于原点定义的，并且可以是正的或负的，这取决于粘附系统的初始垂直位置(z₀)和撤回距离(z_r)。由于制造缺陷和偏差，刚性系统上的FAM甚至在平坦基底上也不能经常完全接触(图13d)。我们从实验中估计，距离FAM的边缘约700μm不能平均接触，这提供了最大有效接触半径(r_e)，为7.3mm。

在球形表面小于最大有效接触半径(r_b<r_e；图13a)的情况下，假定FAM下降到球形基底的中心。FAM围绕基底环绕，与初始位置和接触半径共形接触(conformal contact)，使得

z₀＝-r_b以及

在实验中，FAM不能完全下降到球的中心，因为拉伸应力可能在预负载过程中破坏FAM。相反，使系统下降接触，直到预负载达到预定值，该预定值在0.5至1.0N的范围内。如果球形基底的半径在FAM的尺寸和有效最大接触半径之间(r_e≤r_b<R₀)，则初始边界条件为：

z₀＝-r_b以及r_i＝r_e [5]

在撤回过程中，FAM由于粘附而拉伸，导致腔室内的体积变化(图13e)。截锥变形形状的体积(V_t)减去被接触的FAM覆盖的球形表面的体积(V_c)，除了刚性粘附系统的初始体积(V₀)之外，增加了被FAM包围的总体积(V)，为

V＝V₀-V_C+V_t [6]

初始体积(V₀)是腔室、管道和注射泵内部的体积之和，大约为7.2mL。截锥内部的体积以及被FAM覆盖的球形帽内部的体积分别为

其中是系统和球形表面的顶部之间的垂直距离。

FAM的总势能(Π)被计算为分离区域的参考体积中的弹性能、接触的膜的粘附能的总和，并且由压力完成的功可以被建模为

Π(r，z)＝π(R₀ ²-r²)h₀W_o(r，z)-πr²ω_ad+U_p [8]

其中h₀是FAM的自然厚度，ω_ad是有效粘附功。有效粘附功是分离两个接触界面所需的总能，其用于估算界面剥离的阻力。假设FAM可以被建模为Neo-Hookean固体，应变能密度函数Wo可以被描述为

由空气压力(Up)完成的功为

在系统的垂直位移的给定值(z*)下的临界接触半径(r_c)可以计算为用于静态平衡的以下方程的解。

通过已知从零撤回距离(z_r)到FAM被拉脱的范围的垂直位移的不同值的临界接触半径，可以通过取总势能相对于给定垂直位移(z^*)的一阶偏导数并且用临界接触半径(r_c)代替接触半径(r)来计算反作用力(F_r)，为

图13示出了具有不同边界条件的刚性粘附系统的分析模型的示意图。图13a示出了接触大于球形基底的刚性粘附系统的示意图。图13b示出了具有小于球形基底的直径的接触刚性粘附系统的示意图。图13c示出了在负压差(ΔP)下从平坦玻璃基底分层的刚性粘附系统的示意图。箭头示出了由作用在粘附系统的表面上的压差引起的力，该力可将FAM拉入刚性腔室中并引起膜的分层。图13d示出了在与平坦玻璃基底接触的刚性粘附系统上的FAM 7的倒置光学显微镜图像，可视化了接触界面。暗区域表示接触的FAM上的微纤维。标度尺为500μm。图13e示出了总体积(V)的示意图，该总体积(V)是初始体积(V₀)和由FAM的截锥形的变形产生的附加体积(V_t)的总和再减去由FAM覆盖的球形基底的体积(V_c)。h为球形帽(V_c)的高度。

图14a示出了根据有效接触半径(r_e)在平坦玻璃表面上的计算反作用力(F_r)相对于撤回距离(z_r)的分布。在此，有效接触半径的差异代表了初始接触面积的差异。图14b示出了当r_e＝8.0mm时在撤回开始时反作用力分布的放大图。当r_e＝R₀时，在撤回开始时可以观察到小的数值不稳定性。总势能(Π)相对于垂直位移(z)和接触半径(r)的一阶导数在数值上是使用前向(r_e＝R₀)、居中(0<r_e<R₀)和后向(r_e＝0)差近似值获得的。在此，垂直位移和接触半径分别离散为20,001和50,001个元素。

图15显示了刚性和软粘附系统的FAM的有效粘附功(ω_ad)和粘附应力(σ_ad)的表征。图15a示出了根据界面(II)上的显微镜图像的用于软系统(I)的FAM的反作用力(F_r)分布。图15b示出了根据界面(II)上的显微镜图像的用于刚性系统(I)的FAM的反作用力(F_r)分布。1：预负载，2：撤回，3：施加拉脱力，4：分离。标度尺对应于1mm。

图16示出了用于软粘附系统10的FAM上的单个微纤维的粘附应力(σ_ad)的表征。图16a示出了使用共焦激光显微镜对于每个样品的三个微纤维的接触面积的可视化。标度尺对应于100μm。图16b示出了对于每个样品的三个微纤维的反作用力(F_r)分布。

图17和18分别示出了表1和2，其分别具有依据刚性和软粘附系统的粘附方面的若干表征结果的详细信息。如上所述，粘附系统内部的空气压力由连接到腔室的注射器中的体积变化来调节。在不同的初始压力下，在给定的几何形状上，最大拉脱力(F_off|max)是最高值，而最小拉脱力(F_off|min)是测量值中最低拉脱力。软系统的接触面积(A_c)通过透明腔室从顶侧视觉评估。刚性系统在非平面几何形状上的接触面积既不能从顶部也不能从侧面可视化。因此，假定在诸如d_b为60mm的玻璃球和平坦玻璃的大物体上的接触面积具有1.7cm²的全接触，有效接触半径r_e＝7.3mm。注意，软系统在橡胶膜上的粘附效率(ε_ad)是不可用的，因为我们测试的FAM的粘附应力(σ_ad)仅在PDMS制造的纤维和玻璃基底之间的界面上有效。

用于FAM的有效粘附功(ω_ad)及其粘附应力(σ_ad)的估算的实验方法已经在之前的基于Johnson、Kendall和Roberts(JKR)理论的若干工作中标准化。图15中示出了在用于刚性和软系统FAM上的微纤维阵列的反作用力(F_r)相对于垂直位移(z)的分布。为了排除在测量期间软PDMS背衬的变形，将FAM放置在平坦玻璃基底上并固定。半径(R)为4mm的球形玻璃压头以100μm·s^-1的接近速度下降至与FAM接触。z的原点设置在FAM的表面上，并且正z引起压缩，而负z引起拉伸。通过将球形压头向下放置到FAM来施加100mN的预负载(F_pre)。在此，我们有30秒的松弛时间以使弹性微纤维的不可预测的粘弹性行为最小化，这导致反作用力分布的轻微减小。压头以50μm·s^-1的回缩速度上拉，该回缩速度与用于实验测量的速度相同。在FAM上的五个不同位置测量微纤维阵列的拉脱力；上、中、下、左、右。基于JKR理论，在FAM上的微纤维阵列的粘附功可以通过粘附功与拉脱力之间的以下关系来评估，

ω_ad＝2F_off/3πR [13]

在五次测量中，在评估投影接触面积时选择接触形状最圆的三种情况，用于公式13中的计算。使用常规的图像处理软件(ImageJ，NIH Image)从在光纤阵列从表面拉脱的情况下的静态图像估算那些测量的接触面积。拉脱力的测量总结，以及估算的粘附功和粘附应力如图19和20所示，描绘了表3和4。

单个纤维的粘附应力(σ_ad|sf)和小面积微纤维阵列的粘附应力(σ_ad|sf)的估算遵循FAM的实验程序。三个样品(SPL)取自软系统的FAM的不同区域。每个样品有三个微纤维，并附接到平坦玻璃载玻片上以测量粘附，如图16b所示。半径为4mm的玻璃压头足够大以使三个微纤维同时完全接触和分离。将三个微纤维的拉脱力(F_off)除以纤维的数量，并将其估算为单个纤维的拉脱力(F_off|sf)。每个样品以1mN的预负载(F_re)测量5次。

使用3D共焦激光显微镜测量每个样品上三个微纤维的实际接触面积(A_rc)，如16a图所示，并且通过将所测量的面积除以纤维的数量来估计单个纤维的实际接触面积(A_rc|sf)。使用常规的图像处理软件(ImageJ，NIH Image)估算三个微纤维的投影接触面积(A_pc)，除了实际接触面积(A_rc)之外，还包括微纤维之间的间隔。通过将每个粘附除以估算的接触面积来计算单个纤维和三个微纤维的粘附应力。上述测量的总结如表5所示(图21)。

Claims (15)

1.一种抓持装置，所述抓持装置包括：

-膜；

-柔性壳体；

所述膜固定地连接到所述壳体的外缘；

在所述膜和所述壳体之间存在的腔体；以及

与连接到所述腔体的空气压力调节器的连接。

2.根据权利要求1所述的抓持装置，其特征在于，所述膜的外表面不具有岛状物或具有多个岛状物，所述岛状物从所述膜的外表面远离所述腔体突出。

3.根据权利要求2所述的抓持装置，其特征在于，所述多个岛状物由纤维或由纳米凸块形成。

4.根据前述权利要求中至少一项所述的抓持装置，其特征在于，在所述腔体中存在间隔结构。

5.根据权利要求4所述的抓持装置，其特征在于，所述间隔结构附接到所述壳体的内表面，所述内表面面向所述膜，或者，所述间隔结构附接到所述膜，所述膜面向所述壳体的内表面。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的抓持装置，其特征在于，所述间隔结构包括互连通道。

7.根据权利要求4至6中一项所述的抓持装置，其特征在于，所述间隔结构包括多个柱，优选地圆柱形的柱。

8.根据前述权利要求中至少一项所述的抓持装置，其特征在于，所述膜和所述壳体由不同的材料制成，或者由同样的材料制成，尤其是例如在共同的模具中一体成型，或例如通过焊接或通过粘结层相互粘结。

9.根据前述权利要求中至少一项所述的抓持装置，其特征在于，所述柔性壳体具有在10kPa至600MPa的范围内选择的杨氏模量；和/或所述壳体和所述膜的中至少一个的材料选自由如下成分组成的组：聚合物、橡胶、复合材料、热塑性材料、水凝胶、相变材料、形状记忆材料、液体材料、VS、PDMS、液晶弹性体、弹性体橡胶、硅橡胶、聚氨酯及它们的组合。

10.根据前述权利要求中至少一项所述的抓持装置，其特征在于，所述腔体被配置成真空的以便适应和执行抓持功能，其中所述壳体和所述膜被配置成适应至少基本反映待抓持的所述物体的表面形状的形状，部分地或至少基本上在所述膜的整个外表面上。

11.根据权利要求10和权利要求7所述的抓持装置，其特征在于，当所述腔体为真空时，所述多个柱将所述互连通道隔开，并限定在所述壳体和所述膜之间的间隔。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的抓持装置，其特征在于，所述腔体被配置成真空至低于大气压力高达-101.3kPa的压力，尤其相对于大气压力为+10至-100kPa的范围。

13.根据权利要求10至12中至少一项所述的抓持装置，当从属权利要求4至7中任一项时，其特征在于，在所述壳体和所述膜之间的所述间隔结构内存在至少基本均匀的负压力。

14.根据前述权利要求中至少一项所述的抓持装置，其特征在于，所述腔体被配置成释放负压力或被膨胀，以便执行所述抓持装置的抓持功能的释放。

15.一种生产抓持装置的方法，所述抓持装置包括：膜；柔性壳体；其中所述膜固定地连接到所述壳体的外缘；在所述膜和所述壳体之间存在的腔体；以及与连接到所述腔体的空气压力调节器的连接，所述方法包括以下步骤：

提供所述壳体和所述膜；其中所述膜与所述壳体一体成型或者在所述壳体的外缘处所述膜粘结到所述壳体，并且可选地在所述膜的远离所述空腔的一侧处在所述膜上提供岛状物和/或在所述腔体中提供间隔结构。