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南航『AFM』生体模倣技術!振動誘起生体模倣構造によるサブ秒級接着/摩擦制御の実現
日付:2025-12-08読み:1
南京航空航天大学姫科挙副研究員/戴振東教授チームは、バッタやキリギリスなどの昆虫が傾斜したり倒立したりする枝の上を安定的に這うメカニズムに啓発され、その足マットが持つ円弧状の表面と内部の枝状構造に基づいて、生体勾配化曲率平滑マット構造を開発した。この構造は多界面適応性を維持すると同時に、振動制御による接着/摩擦性能のサブ秒級の粘脱切り替えに成功した。に関する研究成果「Ultrafast Adhesion/Friction Bidirectionally Switchable Control by Vibration」タイトルは、《『Advanced Functional Materials』定期刊行物は、ロボットの器用な操作、精密設備の製造などの分野で中長期的に存在する「強付着」と「高速解放」の互換性が難しい難題に革新的なソリューションを提供した。

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研究チームの採用モアレ精密な面投影マイクロ立体リソグラフィ(PμSL)3D印刷技術(ナノアーチ®S140 プロ、精度:10 ミクロメートル)を用いて、4種類のパラメータを調製した(曲率半径、接触層厚、支持層直径及び勾配化程度)調整可能シリーズサンプル。実験結果によると、この材料はテスト中に安定した接着と摩擦性能を示した:接着強度が60.0キロパラ、摩擦強度が高い130.0キロパラを選択し、2002回連続サイクルテスト後も保持90 %以上の性能安定性。また、この材料は≥ 3°斜面、≥Ra0.8μmの粗面などの条件下で安定した性能を維持し、耐400Hz/60μmの振動モード及び-60~160℃範囲内の温変環境(図1、2)。


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図1. 擬生光滑りパッドの設計と振動調節接着/摩擦メカニズムの概略図。


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図2. 4つの重要な構造パラメータによる接着/摩こすり付け性能の影響を受けます。


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図3. 異なる構造が静的である/振動粗い基板上の接着と摩擦性能の比較。


さらに研究により、生体模倣曲率勾配化平滑マット構造は振動試験条件下で二モード応答と振動耐性などの特徴を示した。に50 Hz/100 ミクロメートル振動条件下での接着性能は静的時の1.371 ± 0.004 N昇格先3.711 ± 0.037 N、増幅が270.68 %(モード私は);そして200Hz/100 ミクロメートル振動条件下では、接着力は0.079 ± 0.050 N、降下幅は497.58 %(モードII)。接着されたスイッチング比とスイッチング効率はそれぞれ46.79和97.86 %。注目すべきは、勾配化設計により材料が400Hz/60ミクロメートル振動環境下でも保持可能70%以上の摩擦性能(図3)。


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図4. 表面適応性と振動制御のメカニズム分析。


機構解析では、この構造内部に軸方向勾配に沿って配置された磁性粒子が形成された「頂柔底剛」の弾性率勾配構造は、界面応力の均一分布を効果的に実現し、有効接着仕事を強化するとともに、界面歪エネルギーを低下させた。振動試験における力と変位試験曲線と時間温度等価原理により測定された周波数と貯蔵弾性率/損失係数などのデータ解析によると、低周波振動は弾性主導によって付着(モードⅠ)、高周波振動は粘性散逸により付着(モードⅡ)を使用することで、より小さい30ミリ秒の粘脱状態切替で、その応答速度はヤモリと同じレベルにある(図4)。


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図5. 金属、有機ガラス、シリコンシートなどの表面の非破壊把持放電検証、および携帯モジュール検証。


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図6. アームと統合された温度差モード、大面積応用検証。


試験プラットフォーム上で金属、有機ガラス、ウエハなどの材料の非破壊粘脱着検証を実現した後研究チームは総重量が以下であることをさらに開発した280グラム、コストが低い50人民元のハンドヘルド式操作モジュールは、偏心基板の非破壊搬送に成功した(図5)。携帯型モジュールも同様にアーム先端に集積でき、高精度、大面積の作業ニーズを満たすことができる(図6)。


まとめ:この研究で提案された「勾配分布-振動誘導」協同戦略は、傾斜、粗さ、振動と変温環境下での接着を実現することに成功した/摩擦性能の安定した付着と高速、可逆的な切り替え構造的接着を提供する/摩擦材料の受動構造の最適化から能動的な動的制御への転換は、動的環境に適した「インテリジェント」エンドエフェクタを発展させるための新しい考え方を提供した。