研究背景

仿生干粘附表面具有较好的适应性、可控性和可复用性等优点，已广泛应用于攀爬机器人、夹持器、转移印刷以及可穿戴设备等应用中。这些干粘附表面能够适应附着于平面或曲面，承受从克到千克级别的载荷，并且在大气和空间环境中均能表现出优异的性能。然而，目前的研究基本集中于静态或准静态的附着和抓取，对高速运动中的粘附研究较少。虽然已有研究进行了干粘附表面与目标物体之间存在相对运动速度的实验，然而，这些研究通常针对空间抓取或低速场景（一般低于10米/秒），忽略了绝对运动速度对粘附性能的影响。对于非真空环境中的附着抓取任务，例如在高速运动中的高铁、汽车甚至飞机表面进行附着（速度一般在每秒几十米以上），除了相对运动之外，粘接系统与目标物体的绝对速度所造成的高速气流的影响也不容忽视。因此，迫切需要研究气流作用下仿生干粘附表面的粘附性能，以验证其在大气环境中动态抓取的可行性。

主要工作

为解决上述问题，清华大学田煜教授团队系统地研究了高速气流作用下纤维状仿壁虎干粘附表面的微观和宏观尺度的变形接触行为及作用机理。研究表明，高速气流会导致蘑菇表面迎风面前排的微柱发生变形，以及背部整体变形偏转。高速气流对微纤维结构变形的影响集中体现迎风面前1~2排，且变形很小，对粘附效应的影响较小。仿生表面在高速气流中的粘附能力主要由背部结构的弹性模量和流场中的偏移量决定，并与二者的乘积呈简单的线性关系。在此基础上，提出了仿生粘附表面前端加整流罩的优化方法，使得仿生表面在柔性背衬的情况下仍保持较高的承载能力。这些发现表明微纤维阵列仿生干粘附表面在高速气流环境中仍具有较强的应用潜力，并为相关技术的合理设计提供了新的见解。

文章主要内容

为探究高速气流中仿生表面微观和宏观尺度的变形行为，通过流固耦合有限元仿真，系统研究纤维长径比、帽子尺寸、板间距和风速对蘑菇状纤维阵列的变形特点及其流场的影响规律，通过实验观察方法观察纤维整列的整体变形，并对仿真结果进行简单验证。结果如图1和图2所示。主要结论为：（1）纤维间距越小，受首根纤维帽子结构斜后方分离涡影响的纤维数量越多，且与首根纤维倾斜趋势相反；（2）板间距越小，分离涡被压缩，影响范围变小，但其造成的形变量增加；非分离涡影响区域内纤维由于气流最大流速增加，其形变量有所增加（3）各纤维变形程度相近且远小于首根纤维；（4）背部结构的变形量远大于迎风面首根纤维变形，是高速气流中粘附表面粘附性能的主要影响因素。

图1 高速气流中仿生干粘附表面微观尺度变形的有限元仿真分析结果

图2 高速气流中仿生干粘附表面宏观尺度变形的试验观察结果

为验证上述推论，搭建了实验台，采用四种粘附复合物进行气流粘附实验，主要是改变背部结构的刚度，以及通过增加整流罩减少高速气流导致的水平偏移量。气流粘附实验结果如图3所示，主要结论为：气流流速的增大使得蘑菇状干粘附表面的法向粘附力大小逐渐减小，且下降程度远大于受实验次数的影响；高速气流使粘附表面复合物发生结构变形，从而降低其附着性能，且随着气流的撤走，该变形短时间内不会恢复；高速气流中仿生表面的粘附性能受背部结构刚度和变形偏移量的复合影响，柔性背衬和整流罩结合是较优方式，可以在高速气流中保持较高的粘附承载能力和较好的表面适应性。

图3 气流-粘附实验结果

论文作者

研究成果以“High-speed airflow influence on adhesive performance on fibrillar adhesive”为题发表在《Smart Materials and Structure》。清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室陈文庆、孙天卉为论文共同第一作者，田煜教授为论文的通讯作者。该工作得到国家自然科学基金等众多项目经费支持。

原文链接：

High-speed airflow influence on adhesion performance of fibrillar adhesive - IOPscience