近日,廈門大學資料學院戴李宗教授團隊在機器人領域頂級刊物《Science Robotics》雜誌上發表研究論文“Electrically programmable adhesive hydrogels for climbing robots”(DOI: 10.1126/scirobotics.abe1858)。
攀爬型機器人是機器人仿生學設計的前沿研究領域,在軍事、航空航太、高危環境工作等領域有著難以替代的地位,其核心技術是運動系統對基體表面的程式控制粘附/脫粘。當前讓機器人攀爬的策略主要包括高壓靜電吸附、磁性吸附、真空吸附以及模仿壁虎足底微觀結構的仿生方法。從理論上講,機器人攀爬依賴運動系統與環境物體之間的介面相互作用,與粘附性高分子的覈心功能相契合,但粘附性高分子應用於攀爬型機器人還存在以下難題:(1)粘附性高分子在固體錶面脫粘困難;(2)粘附强度無法實时調控,粘與不粘兩種狀態的快速、可逆、迴圈轉變是重大挑戰;(3)現有調控高分子粘附效能的刺激訊號(如:pH、溫度、濕度、光等)難以實現機器人應用。
戴李宗教授團隊立足高分子與電化學融合,資料和機械工程的跨學科交叉,提出了電化學策略程式控制聚合物粘附效能的新思路,解决了聚合物在固體表面程式控制粘附/脫粘的科學技術難題,實現了步行、輪式機器人在垂直、倒置不銹鋼和銅表面的程式控制運動。這是繼“高壓靜電吸附、磁性吸附、真空吸附、仿生設計”之後,機器人攀爬模式的一次重要革新,使攀爬型機器人的設計可擺脫“高工程技術門檻”的限制。
長期以來,人們夢想著能像蜘蛛人一樣自由移動在垂直和倒置平面。該研究表明,一塊電控粘附/脫粘水凝膠或許能使得該夢想成真。該團隊設計的電控粘附/脫粘水凝膠合成方便,且易於量化製備,只需要將其貼在機器人的運動部位,無需複雜的工程和形態學設計,即可實現機器人攀爬。另外,該研究還為聚合物在固體表面程式控制粘附/脫粘提供了一種全新的電化學途徑,在電子皮膚、可穿戴器件、生物組織粘附、柔性儲能器件等其他領域也具備良好應用前景。
廈門大學資料學院碩士研究生黃俊文為論文第一作者,主要完成水凝膠合成、測試以及機器人攀爬研究;廈門大學航空航太學院劉宇副教授為論文第二作者,主要完成機器人設計和組裝;戴李宗教授和袁叢輝副教授為論文共同通訊作者。該研究獲得了國家自然科學基金重點專案(52033008)、面上項目(51773172、51673161)以及福建省自然科學基金傑出青年基金項目(2020J06005)的資助。
廈門大學資料學院戴李宗教授團隊袁叢輝副教授牽頭的硼酸酯聚合物研究方向長期聚焦“固體表面高分子程式控制粘附”領域。通過在硼酸酯聚合物中引入方向明確且强度弱的B-N配比特,來平衡鄰苯二酚基團的强介面結合力,形成梯度、多級化的超分子體系;闡明了分子間B-N配比特的原理及其驅動下的硼酸酯聚合物有序化規律;構建適用範圍廣的鄰苯二酚基單體與苯硼酸基單體同步縮聚和組裝方法,拓展了硼酸酯聚合物超分子體系(Journal of Materials Chemistry B,2015,3: 2858-2866;ACS Applied Materials & Interfaces,2017,9: 14700-14708;Chemical Engineering Journal,2021,405: 126690;Applied Catalysis B: Environmental,2021,285: 119795)。建立了鄰苯二酚基團强介面結合力與B-N配比特協同驅動的普適性介面超分子組裝方法,解决了聚合物在納米材料表面可控/可預測粘附的難題(Journal of the American Chemical Society,2018,140: 7629-7636;Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,2020,130: 105751)。
論文連結:https://robotics.sciencemag.org/content/6/53/eabe1858