CN114954716A - 一种用于界面接触状态感知的智能粘附材料 - Google Patents

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陈小明
张晋瑜
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Abstract

一种用于界面接触状态感知的智能粘附材料，整体上为薄膜形式且分为上下两层，上层是粘附单元，下层是传感单元；粘附单元是仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构的阵列，单个仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构尺寸在微米级别；传感单元由多孔材料及其内部设有的导电纳米材料构成，导电纳米材料形成导电网格，通过导电网格的电阻特性实现力学传感功能，以实现粘附界面的接触状态监测；本发明结合柔性电子与仿生干粘附效应的拾取结构，能够实现抓取和输运过程中的界面实时监测，可广泛用于智能机器人、太空抓取等技术领域。

Description

一种用于界面接触状态感知的智能粘附材料
技术领域
本发明属于微纳工程仿生技术领域，具体涉及一种用于界面接触状态感知的智能粘附材料。
背景技术
在目前仿生粘附材料研究中，大部分材料都停留在对壁虎脚掌表面结构进行局部仿生的阶段，忽略了触觉对壁虎攀爬和粘附的作用。实际上，由于这些仿生粘附材料缺少至关重要的传感单元，粘附过程只能通过“机械预压力”的形式实现，即通过预先的机械压力使粘附材料与目标表面接触，获得粘附能力。这种单纯依靠表面粘附结构和机械预压力、无接触状态反馈的工作方式，无法实现对于一些应力敏感目标如易碎材料、非平整表面的稳定粘附，也难以对粘附系统接触状态和拾取结果进行有效监测和评估。
实际上，壁虎的脚掌由表面粘附结构和触觉系统组成，爬行过程中触觉系统实时感知力学信号和表面形貌信息，壁虎可以根据实时的脚掌-底面接触状态反应出正确而快速的步态控制，从而实现在不同表面的爬行。脚掌粘附结构与触觉传感系统的协同作用，是壁虎在多种形态表面具有优异粘附能力的关键因素，对于高性能仿生粘附材料开发具有重要的指导意义。因此，要提高仿生粘附材料的实际应用能力，需要改变以往单纯依赖表面粘附结构的传统思路，借鉴壁虎粘附的协同作用机制，探索“粘附-传感”一体化智能仿生粘附材料的结构形式。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种用于界面接触状态感知的智能粘附材料，能够实现抓取和输运过程中的界面实时监测。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种用于界面接触状态感知的智能粘附材料，整体上为薄膜形式且分为上下两层，上层是粘附单元，下层是传感单元；粘附单元是仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构1的阵列，单个仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构1尺寸在微米级别；传感单元由多孔材料3及其内部设有的导电纳米材料2构成，导电纳米材料2形成导电网格，通过导电网格的电阻特性实现力学传感功能，以实现粘附界面的接触状态监测。
所述的仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构1材料为硅橡胶或聚氨酯；导电纳米材料2采用碳纳米管；多孔材料3采用硅橡胶或聚氨酯。
所述的粘附单元和传感单元利用光刻、旋涂、模塑、蘸取工艺实现了结构的准确可控制造。
物体表面4对多孔材料3施加压力时，仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构1与物体表面4实现共型接触，并产生变形；当多孔材料3受压时，导电纳米材料2形成的导电网格会相互挤压接触，沿厚度方向和长度方向上均形成更多的导电通路，电阻降低，通过监测该电阻特征信号实现界面压力信号的识别。
物体表面4对多孔材料3施加拉力时，传感单元中的导电网格也会随之产生拉伸变形，厚度方向和长度方向上的导电通路均会减小，电阻增加，通过监测该电阻特征信号实现界面拉力信号的识别；导电纳米材料2在拉伸作用下还会产生微裂纹结构，也会使得电阻增加，通过检测该电阻信号同样实现界面微小拉力作用的监测。
本发明的有益效果为：本发明一种用于界面接触状态感知的智能粘附材料，摒弃了以往单纯局限于壁虎脚掌结构的仿生，从功能系统仿生出发，集成了粘附单元和传感单元，可实现对粘附界面监测。制造工艺采用基于光刻、模塑、蘸取和旋涂等工艺手段，实现各层结构的准确可控制造。本发明的结合柔性电子与仿生干粘附效应的拾取结构可广泛用于智能机器人、太空抓取等技术领域。
附图说明
图1为本发明智能粘附材料的二维示意图。
图2-1为施加外部载荷(压力)时，本发明智能粘附材料的接触变形及其传感示意图(电极沿厚度方向)。
图2-2为施加外部载荷(压力)时，本发明智能粘附材料的接触变形及其传感示意图(电极沿长度方向)。
图3-1为施加外部载荷(拉力)时，智能粘附材料的接触变形及其传感示意图(电极沿厚度方向)。
图3-2为施加外部载荷(拉力)时，智能粘附材料的接触变形及其传感示意图(电极沿长度方向)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
参照图1，一种用于界面接触状态感知的智能粘附材料，整体上为薄膜形式且分为上下两层，上层是粘附单元，下层是传感单元，实现稳定粘附的同时具备对界面力学信号实时监测的功能；粘附单元是仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构1的阵列，单个仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构1尺寸在微米级别；传感单元由多孔材料3及其内部设有的导电纳米材料2构成，导电纳米材料2形成导电网格，通过导电网格的电阻特性实现力学传感功能，以实现粘附界面的接触状态监测。
所述的仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构1材料为硅橡胶或聚氨酯；导电纳米材料2采用碳纳米管，多孔材料3采用硅橡胶或聚氨酯。
参照图2-1，图2-2，物体表面4为典型平面，物体表面4对多孔材料3施加压力时，由于传感单元多孔材料3的压缩性，使得仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构1可以与物体表面4实现良好的共型接触，并产生足够的变形；此时，当多孔材料3受压时，导电纳米材料2形成的导电网格会相互挤压接触，沿厚度方向和长度方向上均可形成更多的导电通路，电阻降低，通过监测该电阻特征信号即可实现界面压力信号的识别；
参照图3-1，图3-2，物体表面4对多孔材料3施加拉力时，传感单元中的导电网格也会随之产生拉伸变形，厚度方向和长度方向上的导电通路均会明显减小，电阻增加，通过监测该电阻特征信号可实现界面拉力信号的识别；其次，导电纳米材料2在拉伸作用下还会产生微裂纹结构，也会使得电阻增加，通过检测该电阻信号同样可实现界面微小拉力作用的监测。
所述的粘附单元和传感单元利用光刻、旋涂、模塑、蘸取等工艺实现了结构的准确可控制造。
本发明设计的用于界面接触状态感知的智能粘附材料，摒弃了以往单纯局限于壁虎脚掌结构的仿生，从功能系统仿生出发，集成了粘附单元和传感单元，可满足对各类目标表面的抓取输运以及触觉感知，利用光刻、旋涂、模塑、蘸取等工艺实现了设计结构的准确可控制造，能够适用仿生领域的广泛需求。

Claims (5)

1.一种用于界面接触状态感知的智能粘附材料，其特征在于：整体上为薄膜形式且分为上下两层，上层是粘附单元，下层是传感单元；粘附单元是仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构(1)的阵列，单个仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构(1)尺寸在微米级别；传感单元由多孔材料(3)及其内部设有的导电纳米材料(2)构成，导电纳米材料(2)形成导电网格，通过导电网格的电阻特性实现力学传感功能，以实现粘附界面的接触状态监测。
2.根据权利要求1所述的一种用于界面接触状态感知的智能粘附材料，其特征在于：所述的仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构(1)材料为硅橡胶或聚氨酯；导电纳米材料(2)采用碳纳米管；多孔材料(3)采用硅橡胶或聚氨酯。
3.根据权利要求1所述的一种用于界面接触状态感知的智能粘附材料，其特征在于：所述的粘附单元和传感单元利用光刻、旋涂、模塑、蘸取工艺实现了结构的准确可控制造。
4.根据权利要求1所述的一种用于界面接触状态感知的智能粘附材料，其特征在于：物体表面(4)对多孔材料(3)施加压力时，仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构(1)与物体表面(4)实现共型接触，并产生变形；当多孔材料(3)受压时，导电纳米材料(2)形成的导电网格会相互挤压接触，沿厚度方向和长度方向上均形成更多的导电通路，电阻降低，通过监测该电阻特征信号实现界面压力信号的识别。
5.根据权利要求1所述的一种用于界面接触状态感知的智能粘附材料，其特征在于：物体表面(4)对多孔材料(3)施加拉力时，传感单元中的导电网格也会随之产生拉伸变形，厚度方向和长度方向上的导电通路均会减小，电阻增加，通过监测该电阻特征信号实现界面拉力信号的识别；导电纳米材料(2)在拉伸作用下还会产生微裂纹结构，也会使得电阻增加，通过检测该电阻信号同样实现界面微小拉力作用的监测。
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