論文題目：磁驅(qū)動(dòng)智能粘附材料（Smart adhesives via magnetic actuation）

論文作者：趙晉生  李翔宇  譚宇  魯太平  師明星

獲獎(jiǎng)等次：第三屆川渝科技學(xué)術(shù)大會(huì)優(yōu)秀論文一等獎(jiǎng)

智能粘附材料由于其具有切換粘附性的功能，在自動(dòng)化裝配、轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)和軟體爬行機(jī)器人等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而，粘附性調(diào)節(jié)能力弱、切換粘附響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、應(yīng)用范圍小等局限性限制了智能粘附材料的廣泛應(yīng)用。

西南交通大學(xué)力學(xué)與航空航天學(xué)院李翔宇教授課題組和師明星教授提出了一種以非接觸的方式通過(guò)施加外部磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)切換粘附性的智能粘附材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，外加磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)變形，能夠?qū)崿F(xiàn)在選擇性拾取操作和拾取與放置操作中進(jìn)行快速地、可逆地、反復(fù)地切換粘附性，讓智能粘附材料在微納米芯片的自動(dòng)化裝配和軟體機(jī)器人的攀爬等領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。

該研究成果于2022年2月在國(guó)際頂級(jí)期刊Advanced Materials正式發(fā)表，第一作者為西南交通大學(xué)力學(xué)與航空航天學(xué)院博士研究生趙晉生。

起因：受自然界動(dòng)物啟發(fā)

趙晉生介紹，仿生粘附材料的研究始于本世紀(jì)初期。研究發(fā)現(xiàn)，壁虎之所以可以自由地攀爬在光滑的玻璃和垂直的墻壁上，歸因于在其腳掌上分布著致密的蛋白質(zhì)剛毛。隨著螞蟻、蜘蛛和壁虎這些爬行生物體重的增大，剛毛的分布形式和結(jié)構(gòu)形貌呈現(xiàn)出密集化和纖細(xì)化的變化趨勢(shì)，粘附性也逐漸增強(qiáng)。近年來(lái)，對(duì)仿生粘附材料的研究也取得了十足的進(jìn)展，粘附性得到了大幅度提升。然而，在自動(dòng)化裝配和爬行機(jī)器人等領(lǐng)域，只具備超強(qiáng)的粘附性已經(jīng)不能滿(mǎn)足目前的需求。因此，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)可以快速地、可逆地、反復(fù)地切換粘附性的智能粘附材料十分重要。

多年來(lái)，李翔宇教授團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持在接觸和界面裂紋方面進(jìn)行深入研究，“結(jié)合近年來(lái)在多學(xué)科交叉研究方面取得的進(jìn)展，我們認(rèn)為可以施加外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)粘附材料，通過(guò)在粘附界面產(chǎn)生初始裂紋的方式，實(shí)現(xiàn)智能粘附材料粘附性的快速切換。”趙晉生說(shuō)。

“晉生提出這個(gè)想法的時(shí)候，我認(rèn)為非常有趣，鼓勵(lì)他大膽地去嘗試，放手去做，我為他提供最大的支持。”李翔宇教授向記者介紹，“最初的設(shè)計(jì)四支懸臂梁結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于抓手型，但是支撐的懸臂梁的厚度太薄，對(duì)充磁的要求極高，導(dǎo)致多次實(shí)驗(yàn)失敗。后來(lái)，我們?cè)谘芯窟^(guò)程中發(fā)現(xiàn)兩種不同的界面失效形式，并查閱大量參考文獻(xiàn)，同時(shí)向同行請(qǐng)教學(xué)習(xí)，最終提出基于蘑菇狀結(jié)構(gòu)的智能粘附材料。”在經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證之后，發(fā)現(xiàn)這種方式是可行的。

李翔宇教授介紹，“粘附是由多種因素共同導(dǎo)致的一種現(xiàn)象，而這項(xiàng)工作主要是從接觸和裂紋擴(kuò)展的角度研究了結(jié)構(gòu)形貌和尺寸對(duì)粘附現(xiàn)象的影響。”他接著解釋?zhuān)瑢⒛⒐綘罱Y(jié)構(gòu)從目標(biāo)物體上拔開(kāi)時(shí)，在蘑菇狀結(jié)構(gòu)與目標(biāo)物體之間的粘附界面上，界面應(yīng)力會(huì)隨著蘑菇狀結(jié)構(gòu)的幾何尺寸呈現(xiàn)出兩種不同的分布形式，進(jìn)而導(dǎo)致兩種界面失效，即邊緣裂紋失效和中心裂紋失效。該項(xiàng)研究提出的智能粘附材料的結(jié)構(gòu)是在蘑菇狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了磁性梁。磁性梁在外部磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致在粘附界面的邊緣位置產(chǎn)生初始裂紋。對(duì)于邊緣裂紋失效破壞的粘附界面，如果磁性梁的彎曲已經(jīng)在粘附界面的邊緣位置產(chǎn)生了初始裂紋，那么，僅需要較小的拔開(kāi)力就可以完成界面的失效破壞，從而實(shí)現(xiàn)粘附性的調(diào)控。

突破：開(kāi)發(fā)出制備蘑菇狀微結(jié)構(gòu)的全新方法

一項(xiàng)科研工作的成功，不僅需要扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，更需要堅(jiān)持不懈的態(tài)度。在研究過(guò)程中，制備方法的探索和開(kāi)發(fā)是這項(xiàng)工作面臨的最大困難。

趙晉生介紹，目前，使用最廣泛的制備方法是采用SOI或者雙層光刻膠制備得到蘑菇狀結(jié)構(gòu)的反模，再采用倒模的方法得到蘑菇狀結(jié)構(gòu)。然而，這兩種方法不僅材料成本昂貴，而且結(jié)構(gòu)尺寸有所受限，并不適用于大規(guī)模的生產(chǎn)加工。

“這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)艹晒Γ蠹叶几冻隽撕芏?，特別是晉生。”李翔宇教授告訴記者，“為了學(xué)習(xí)到最新的MEMS制備方法，晉生多次到江蘇、浙江等沿海地區(qū)的科研廠家學(xué)習(xí)制備技術(shù)，與工人下車(chē)間進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，曾經(jīng)有一年出差十四次。有的時(shí)候?yàn)榱撕蛶煾祩儨贤▽W(xué)習(xí)，需要常駐大半月；有的時(shí)候?yàn)榱私鉀Q問(wèn)題，三天之內(nèi)從成都和蘇州坐動(dòng)車(chē)跑一個(gè)來(lái)回。”歷時(shí)3年，團(tuán)隊(duì)獨(dú)立開(kāi)發(fā)出一套全新的制備方法，能夠大規(guī)模的生產(chǎn)和加工形狀各異的蘑菇狀結(jié)構(gòu)材料。如今，這套制備方法已獲得國(guó)家授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)。

創(chuàng)新：“打開(kāi)”和“關(guān)閉”自由切換粘附性

目前，在自動(dòng)化裝配和大規(guī)模集成等生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)芯片的選擇性拾取尤為重要。趙晉生介紹，該項(xiàng)研究提出的智能粘附材料可以開(kāi)發(fā)應(yīng)用于兩種工作模態(tài)，即選擇性拾取模態(tài)和拾取與放置模態(tài)。在智能粘附材料與目標(biāo)物體接觸之前，通過(guò)施加（或者不是施加）外部磁場(chǎng)，改變（或者不改變）粘附材料的表面形貌，“關(guān)閉”（或者“打開(kāi)”）粘附功能，從而完成對(duì)目標(biāo)物體的不拾?。ɑ蛘呤叭。┑哪康?，即為選擇性拾取模態(tài)；對(duì)于拾取起的目標(biāo)物體，需要轉(zhuǎn)移到指定位置并進(jìn)行釋放，那么通過(guò)施加外部磁場(chǎng)，結(jié)構(gòu)形貌的變化導(dǎo)致在粘附界面邊緣位置處產(chǎn)生初始裂紋，大幅度降低粘附性，進(jìn)而將拾取的目標(biāo)物體進(jìn)行放置，即為拾取與放置模態(tài)。兩種模態(tài)結(jié)合就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)陣列排布的芯片進(jìn)行“逐像素”形式的選擇性拾取，并完成轉(zhuǎn)印和印刷的過(guò)程。

前景：可運(yùn)用于干燥或潮濕環(huán)境

“這種智能粘附材料具有快速地、可逆地、可重復(fù)地切換粘附性特點(diǎn)，粘附性調(diào)節(jié)能力最高能夠達(dá)到20倍以上，并且可以實(shí)現(xiàn)在0.5秒將拾取的物體釋放的能力。”趙晉生說(shuō)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，這種智能粘附材料可以應(yīng)用于電子芯片的拾取與放置，也可以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室對(duì)試劑瓶和硅片等物體的拾取與放置。因此，在要求高精度和快響應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用中具有潛在價(jià)值。同時(shí)，該智能粘附材料具有良好的使用耐久性，還可以應(yīng)用于干粘附或者濕粘附的工作環(huán)境。

趙晉生希望在將來(lái)的研究工作中，將這種智能粘附材料開(kāi)發(fā)應(yīng)用于空間站。如果開(kāi)發(fā)一種能實(shí)現(xiàn)可控粘附和釋放的手套或鞋子，在空間站外面工作時(shí)宇航員就能更加自由和便捷。例如在邁步的時(shí)候關(guān)閉粘附，在不邁步的時(shí)候打開(kāi)粘附，以便固定地站在原地。

收獲：研究成果在國(guó)際權(quán)威期刊發(fā)表

實(shí)驗(yàn)成功后，李翔宇團(tuán)隊(duì)將論文投到了國(guó)際材料科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊Advanced Materials。“在Advanced Materials期刊發(fā)表論文，是晉生的夢(mèng)想。”李翔宇教授笑著說(shuō)，“論文的發(fā)布過(guò)程雖然曲折，不過(guò)他的夢(mèng)想最終還是實(shí)現(xiàn)了。”

“論文初稿寫(xiě)好后，我們花了一個(gè)月的時(shí)間對(duì)論文進(jìn)行逐字逐句的修改。第一次投稿收到了編輯給出的轉(zhuǎn)投建議。”李翔宇教授說(shuō)，“從2018年開(kāi)始，這項(xiàng)研究花了差不多四年時(shí)間，我不想大家的努力白費(fèi)。因?qū)@項(xiàng)研究的創(chuàng)新性非常有信心，于是我們寫(xiě)了申訴信，又對(duì)論文進(jìn)行了補(bǔ)充和修改。”論文第二次投出去后，期刊編輯明顯改變了看法，這次成功了。

“四年多的辛苦和努力都在論文被接受的那一刻得到了回報(bào)，艱苦付出是值得的。”李翔宇教授說(shuō)，“這篇論文相當(dāng)于為晉生圓了夢(mèng)，看到他開(kāi)心，我更開(kāi)心。因?yàn)槲乙卜浅Ｏ硎芘c學(xué)生在一起，享受在增長(zhǎng)學(xué)問(wèn)的過(guò)程中，師生關(guān)系的升溫。”說(shuō)到此，李翔宇教授臉上露出了燦爛的笑容，樸實(shí)的話(huà)語(yǔ)道出的卻是真摯的師生情誼。

傳承：科研精神代代傳

“科技之花”結(jié)碩果，在第三屆川渝科技學(xué)術(shù)大會(huì)暨四川科技學(xué)術(shù)大會(huì)上，該論文獲得了優(yōu)秀論文一等獎(jiǎng)。“這篇論文能夠獲獎(jiǎng)，我非常高興，更為我的學(xué)生感到高興。成績(jī)的取得，是大家共同努力的結(jié)果，也離不開(kāi)各方的支持。”李翔宇教授說(shuō)，該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、西南交通大學(xué)和力學(xué)與航空航天學(xué)院的大力支持。

談及獲獎(jiǎng)，趙晉生直言，“論文能夠獲獎(jiǎng)，要感謝我的恩師李翔宇教授和師明星教授在我的科研道路上的大力支持和悉心指導(dǎo)，在我認(rèn)為幾乎不能完成這項(xiàng)工作的情況下，是他們的堅(jiān)持和鼓勵(lì)給了我繼續(xù)研究下去的動(dòng)力。”

感到欣慰的同時(shí)，李翔宇教授也感慨地說(shuō)：“說(shuō)到支持和鼓勵(lì)，我更想借此機(jī)會(huì)感謝我在浙江大學(xué)讀書(shū)時(shí)的導(dǎo)師陳偉球教授和丁皓江教授，因?yàn)樗麄兊木呐嘤蜔o(wú)私奉獻(xiàn)，我才能很好地把所學(xué)到的知識(shí)運(yùn)用到各項(xiàng)研究中，我也要將這種科研和奉獻(xiàn)精神傳給我的學(xué)生。”

黨的二十大報(bào)告首次把教育、科技、人才進(jìn)行統(tǒng)籌安排、一體部署，在李翔宇教授來(lái)看，這對(duì)科技工作者來(lái)說(shuō)，是機(jī)遇更是挑戰(zhàn)。“我希望我的學(xué)生，這些青年人才能夠瞄準(zhǔn)國(guó)家重大需求，做出更有顯示度的科研成果，推動(dòng)國(guó)家科技發(fā)展，加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)。”