由liu et al.发表在《Microsystems & Nanoengineering》期刊2025年第11卷的论文，报告了一项旨在稳定操控未知表面形态物体的原创性研究。这项研究由西安交通大学微纳技术研究中心、制造系统国家重点实验室的刘凤霞、陈琦、田洪淼等研究人员主导，并与上海航天控制技术研究所等单位合作完成。

一、 学术背景 本研究属于仿生粘附与软体机器人交叉领域。受壁虎卓越攀附能力的启发，模仿其脚趾微纳米刚毛（seta）结构的仿壁虎粘附材料在过去几十年取得了显著进展。这类材料主要依赖微纳结构与接触表面形成的范德华力（van der Waals forces）产生粘附，具有适应多种材料表面、无噪音、节能等潜在优势，在空间操作、工业制造等领域展现出广泛应用前景。

然而，现有仿壁虎粘附材料面临一个核心挑战：其高性能粘附严重依赖于粘附结构与目标表面之间的大面积、共形接触（conformal contact）。当面对粗糙或弯曲的非平坦表面时，刚性或半柔性的粘附结构难以自适应地贴合表面轮廓，导致有效接触面积急剧下降，粘附力大幅减弱甚至失效。传统解决方案，如设计专门针对曲面或粗糙表面的定制化微结构（如分层结构、核壳结构），或采用可变刚度材料，往往只能针对某一特定类型的表面形态进行优化。一旦目标表面形态未知或发生变化，这些粘附器就会失效。为了实现普适性抓取，现有系统通常需要引入复杂的图像识别或检测传感器来预先判断表面形态，从而选择或调整粘附策略，这大大增加了系统的复杂性和成本。因此，如何以简单的方式实现对未知表面形态物体的稳定操控，成为仿壁虎粘附材料走向工程应用的一大难题。

本研究团队注意到，自然界壁虎的卓越适应性不仅源于其脚趾的微纳结构，更得益于其驱动肌肉与粘附结构的协同作用。肌肉驱动脚趾变形，确保大量微纳刚毛能够与各种崎岖表面实现充分的共形接触。受此启发，本研究旨在将“驱动”与“粘附”两种功能集成于一体，提出一种新型的智能粘附薄膜。其核心目标是通过模仿壁虎肌肉与刚毛的相互作用，开发一种能够自适应未知表面形态（包括光滑/粗糙形貌、平坦/弯曲形态）的粘附策略，无需预先探测表面细节，即可实现物体的稳定抓取、转移和释放。

二、 研究详细流程 本研究工作流程清晰，主要包括智能粘附薄膜的设计与制备、关键组件的性能表征、集成系统的粘附性能测试以及最终的应用演示。

1. 智能粘附薄膜的设计与制备： 研究提出的智能粘附薄膜由两层核心功能结构集成：底层是模仿壁虎肌肉的磁性人工肌肉（Magnetic Artificial Muscle），顶层是模仿壁虎脚趾刚毛的蘑菇状微结构粘附层。 * 磁性人工肌肉的制备： 这是一个创新性制备过程。研究团队没有简单地将磁性颗粒均匀分散在软体材料中，而是设计了一种“限制区域浓度”策略，将钕铁硼磁性颗粒集中填充在微孔阵列中。具体流程如下：(a) 首先，利用标准的微机电系统技术制备带有微孔阵列的硅模板。(b) 在硅模板表面沉积一层低表面能的C4F8以便脱模，然后旋涂氟树脂并固化，脱模后得到具有微柱阵列的氟树脂模板。© 将硅橡胶预聚物涂覆在氟树脂模板上，固化后脱模，从而在硅橡胶基底上复制出微孔阵列。(d) 关键步骤：将尺寸约为1微米的NdFeB磁性颗粒刮入微孔中，待溶剂挥发后，颗粒被固定在孔内并与硅橡胶基底紧密结合，形成磁性人工肌肉薄膜。通过超景深显微镜表征，填充度（颗粒填充高度与微孔深度之比）达到0.9，验证了该制备方法的有效性。这种设计平衡了材料的可变形性（需要较少的颗粒以保持柔软）和驱动力（需要较多的颗粒以产生足够的磁力），使薄膜既能灵活变形贴合表面，又能产生足够的力实现分离。 * 蘑菇状微结构的制备： 采用成熟的模塑工艺，使用聚二甲基硅氧烷在预先制备的模具上浇铸而成。该模具采用团队先前开发的双面曝光工艺制作，以确保结构均匀可控。最终得到的蘑菇状微结构高度约20微米，间距25微米，接触端头和支柱直径分别为16和12微米。这种形状因其能消除接触界面处的应力奇点，具有较高的粘附强度。

2. 磁性人工肌肉的驱动性能表征： 研究通过两个关键参数评估磁性人工肌肉的性能：变形幅度和响应时间。 * 变形幅度测试： 将磁性薄膜一端固定，置于电磁铁上方。通过改变施加在电磁铁上的电压来调控磁场强度，测量薄膜自由端在垂直和水平方向上的位移。结果表明，垂直位移与施加电压近似呈线性关系，即变形可以通过电压进行精确调控。当电压达到9V时，薄膜可以弯曲至接触到对面的表面，证明其能够提供足够的变形来实现粘附与分离。 * 响应时间测试： 采用基于光亮度提取的扭转变形实验来测量。通过相机拍摄薄膜在不同频率磁场下的扭转动态，对视频帧进行灰度处理和光亮度提取。当薄膜处于平坦状态时遮光弱、亮度高；扭曲状态时遮光亮、亮度低。记录亮度从最大值下降到最小值所需的时间即为响应时间。测试表明，该人工肌肉在5Hz、10Hz和20Hz的磁场频率下均能快速同步响应，展现了毫秒级的快速响应能力，这保证了后续抓取操作的高效性。

3. 集成粘附薄膜的性能测试： 研究团队测试了集成后的智能粘附薄膜在不同物体表面的粘附力。 * 测试方法： 将粘附薄膜固定在电磁铁基座上。目标物体（如直径40mm的玻璃球或生鸡蛋）向下移动与薄膜接触，此时施加磁场使薄膜自适应地包裹物体，实现蘑菇结构与目标表面的共形接触。保持接触数秒后，测试设备向上拉动物体直至完全分离，记录过程中的最大拉力作为粘附力。 * 对比实验： 为了凸显各组件的作用，研究设置了严格的对比：(a) 智能粘附薄膜：包含磁性人工肌肉和蘑菇状结构。(b) 平坦抓取器：将蘑菇状结构替换为平坦无结构的薄膜，但保留磁性人工肌肉。© 被动抓取器：既不包含人工肌肉，也不包含蘑菇结构，仅由基底材料制成。 * 测试结果： * 光滑曲面（玻璃球）： 智能粘附薄膜的粘附力随电压（磁场）增大而增加，约在10V后达到饱和，表明此时已实现充分共形接触。而平坦抓取器即使在全驱动下（18V）产生的粘附力也极低，被动抓取器则无法抓取。这证明仅靠人工肌肉增加接触面积不足以产生强粘附，蘑菇状微结构是产生高粘附力的关键。 * 粗糙曲面（生鸡蛋）： 鸡蛋表面粗糙度（Ra=3.483 μm， Rz=18.536 μm）较高。智能粘附薄膜同样表现出粘附力随电压增加而提升的趋势，且在测试的最大电压20V内未观察到饱和，表明粗糙表面需要更大的驱动力来实现有效贴合。 * 断电安全特性： 一个重要的发现是，在抓取过程中，即使突然移除磁场（模拟意外断电），目标物体也不会从粘附薄膜上掉落。这是因为一旦通过磁场驱动实现了初始的充分共形接触，蘑菇状结构自身产生的范德华力就足以维持抓取状态。这一特性极大地增强了操作安全性，是许多其他基于主动持续驱动（如气动、介电弹性体）的软体抓取器所不具备的。

4. 物体操控演示： 研究搭建了一个完整的操控系统，包括智能粘附薄膜、电磁铁、信号源、机械臂及控制系统。该系统成功演示了对多种形态物体的抓取、转移和释放： * 操作流程： (i) 无磁场接近目标；(ii) 施加正向电压，薄膜包裹并抓取目标，随后转移；(iii) 施加反向电压，薄膜从边缘到中心逐渐分离，释放目标。 * 演示对象： 成功操控了长玻璃棒（~300mm）、平板玻璃、玻璃球和生鸡蛋。所有动态过程均通过视频记录。对比实验再次确认，被动抓取器和平坦抓取器均无法有效抓取这些物体，验证了智能粘附薄膜策略的普适性和优越性。

三、 主要研究结果 1. 成功制备了功能集成的智能粘附薄膜： 通过创新的“限制区域浓度”工艺，制备出具有高填充度磁性微区的柔软人工肌肉薄膜；结合高粘附强度的蘑菇状微结构，实现了“驱动”与“粘附”的一体化集成。 2. 磁性人工肌肉表现出优异的驱动性能： 变形幅度与驱动电压线性相关，可控性好；响应速度达到毫秒级，能同步跟随高达20Hz的磁场变化，确保了操作的快速与精准。 3. 粘附性能得到量化验证并凸显协同优势： 在光滑和粗糙曲面上，集成薄膜的粘附力均随驱动磁场增强而显著提高。对比实验确凿证明，高粘附力来源于磁性人工肌肉提供的自适应贴合能力与蘑菇状微结构自身高粘附特性的协同作用，缺一不可。 4. 发现了“断电保持”的安全特性： 实验证实，在实现初始充分接触后，移除磁场，物体仍能被牢牢抓取。这源于蘑菇状结构产生的范德华力是一种被动、持续的粘附力，无需额外能量维持。 5. 实现了对未知形态物体的普适性操控： 完整的系统演示成功抓取、转移和释放了从平坦到弯曲、从光滑到粗糙的一系列不同形态物体，且整个过程无需任何预先的表面形态识别或传感。

这些结果层层递进：从组件制备到性能表征，验证了设计的可行性；从集成测试到对比实验，揭示了功能协同的原理和优势；最终的应用演示，则综合展示了该策略解决实际工程问题的能力。所有结果共同支撑了研究的核心结论。

四、 研究结论与价值 本研究成功提出并验证了一种基于磁性人工肌肉与蘑菇状微结构集成的智能粘附新策略。该策略的核心在于模仿壁虎肌肉与刚毛的协同机制，使粘附器能够自适应地贴合未知表面形态，从而实现了稳定操控。

其科学价值在于，突破了传统仿壁虎粘附材料依赖于针对特定表面形态进行结构优化的局限，将研究视角从单纯的微纳结构设计，拓展到“驱动-粘附”协同的系统性仿生，为仿生粘附领域提供了新的设计范式。它揭示了通过集成主动驱动来“赋能”被动粘附结构，可以极大地扩展其适应性和应用范围。

其应用价值显著：首先，它提供了一种简单、可靠的解决方案，无需复杂的传感和识别系统，就能处理表面形态未知的物体，降低了系统复杂性和成本。其次，快速的磁响应和断电安全特性，使其在需要高效、安全操作的场景（如太空在轨服务、精密电子装配、食品加工等）具有巨大潜力。最后，该策略将仿壁虎粘附材料的应用范围从特定的已知表面，拓展到了广泛的未知多变表面，为开发新一代智能粘附器件与系统开辟了新途径。

五、 研究亮点 1. 创新性的仿生集成策略： 不同于大多数研究只聚焦于模仿壁虎的刚毛结构，本研究创造性地同时模仿了其肌肉驱动系统，通过磁性人工肌肉与粘附结构的集成，实现了对未知表面形态的自适应，是仿生学思想上的一次重要推进。 2. 新颖的磁性人工肌肉制备方法： 提出的“限制区域浓度”制备工艺，巧妙地在同一材料中平衡了柔软性与驱动力这对矛盾属性，工艺可行且效果显著。 3. 卓越的操作性能： 实现了对多种差异巨大物体的普适性抓取，并且具备“断电保持”这一独特的安全优势，综合性能优于许多现有的软体抓取或粘附方案。 4. 完整的验证链条： 研究从材料制备、组件表征、性能测试到系统演示，构成了一个完整、严谨的验证体系，实验设计充分（包括关键的对比实验），数据支撑有力，结论可信度高。

六、 其他有价值内容 研究还进行了一些支撑性的有价值工作，例如对磁性人工肌肉进行了100次拉伸-压缩循环测试，证明其结构稳定，磁性颗粒与基体界面无明显脱粘或断裂，显示了良好的耐久性。此外，论文详细测量了电磁铁表面不同位置的磁场强度与电压的关系，为精确控制提供了基础数据。这些工作增强了该智能粘附系统在实际应用中长期可靠运行的可信度。