形狀記憶聚合物萬能抓手

抓手是什麼

使用抓手對物體進行抓取和操縱是生活、生產和科研中的一項基本任務。自然界中，動物有靈活的爪子，人類有靈巧的雙手，可以非常輕鬆地完成這樣的任務，但對機械系統來說卻是一大挑戰，因為機械抓手要處理的物體尺寸跨度大、形狀差異大、數量規模大：從幾十英寸的顯示屏，到幾十微米的電子元器件，這些物體橫跨宏觀（>1 mm）、介觀（100 μm—1 mm）到微觀（<100 μm）尺寸；從玻璃片、小鋼珠，再到鑰匙串，這些物體的形狀多種多樣；從流水線上分揀的單個物體，到柔性電子器件製備和Micro-LED顯示屏組裝中成千上萬的元件，這些物體的數量規模變化不一，甚至還常常要求先一次性抓取大量元件，再選擇性地釋放部分元件。

一種很自然的設計是使用多指機械抓手，就像人和動物一樣。以往的研究展示了多指抓手用於操縱不同形狀物體的優勢。然而，這種主動控制的多指抓手機械結構複雜，還需要整合大量的感測器、驅動器。同時，多指機械抓手的控制也異常複雜：首先需要感測器採集力學/視覺訊號，在此基礎上依靠中央處理器和複雜的演算法來確定抓手抓取某個物體的方案（比如說手指要張多開，對物體要施加多大的力，力要施加在什麼地方等）。此外，多指機械抓手無法處理薄而脆的物體。當物體小到微觀尺寸時，多指機械抓手結構變得非常複雜，很難加工和控制。

另外一種方法是使用吸盤，依靠負壓來抓取物體。吸盤式抓手非常適合於幾何形狀規則、表面光滑的物體，如玻璃、矽片等。但是對於幾何形狀不規則、表面粗糙或者是小尺寸的物體，吸盤的密封又是一個很大的問題。

自然界中，壁虎等動物可以非常牢固地粘附在物體表面，同時又能很容易地脫開。受此啟發，研究者們提出了依靠可控範德瓦爾斯力地幹粘附抓手。在宏觀尺寸下，幹粘附抓手非常適合於平面物體的抓取。但將其用於三維物體時，卻存在一個內在的矛盾：一方面，抓手要足夠軟，以適應物體的表面形狀，增加抓手與物體的接觸面積，增強黏附作用來增大抓取力；另一方面，抓手又要足夠硬，以抵禦介面脫粘，承受物體的重量。在微觀尺寸下，幹粘附抓手被成功用於平面物體的組裝，特別是用於柔性電子中功能元件的組裝。但對於非平面結構的元件，由於接觸面積不可控，粘附變得不穩定，這種方法不再適用。此外，當元件變得更小時，黏附作用太強，會阻礙元件的釋放。

近期研究人員提出了一種使用形狀記憶聚合物（shape memory polymer，SMP）智慧塑膠作為抓手的全新萬能抓手策略，如圖1所示。該抓手結構非常簡單，就是一塊形狀記憶聚合物塊體。我們可以把它做成不同的大小，用來處理不同尺寸、任意形狀、不同數量規模的物體（圖2）。

圖1 形狀記憶聚合物萬能抓手抓取和釋放物體的示意圖

智慧塑膠形狀記憶聚合物，在外部光/熱刺激下會變軟，可自由變形，此時可以輕鬆地將物體嵌入其中。之後撤去外部刺激，形狀記憶聚合物就會變回剛硬狀態，一直保持住該變形的臨時形狀，將物體鎖住，這樣我們就可以把物體抓取起來移動到目的地。當我們再次對形狀記憶聚合物施加外部刺激，形狀記憶聚合物就會恢復它最初的形狀，從而將物體釋放出來。

圖2 使用形狀記憶聚合物萬能抓手操縱10 μm到1 m尺寸、任意形狀的物體

為了展示該方案的可行性，研究人員使用一種環氧基的形狀記憶聚合物（環氧單體 E44，固化劑 Jeffamine D230，質量比為 81∶46）來製備抓手。該形狀記憶聚合物在低於45℃時處於剛硬狀態，高於45℃時處於柔軟狀態。實際使用時，加熱溫度和加熱時間取決於抓手的尺寸與加熱的方式。比如用於宏觀物體抓取的形狀記憶聚合物抓手（60 mm×60 mm×5 mm），使用120℃的熱板加熱到柔軟狀態需要30 s。而用於微觀顆粒操縱的抓手（直徑320 μm，高度450 μm），只要用熱風槍在120℃下加熱不到1s即可。

該抓手能在平面物體表面產生很大的粘附強度。在光滑玻璃（表面粗糙度為 Ra=0。019 μm）上，其粘附強度為 113。9 kPa，和壁虎 100 kPa 的粘附強度可比。即使在粗糙的磨砂玻璃（表面粗糙度 Ra=2。2 μm）上，其粘附強度依然高達 81。7 kPa。如圖2所示，我們使用該萬能抓手抓取了一塊 0。3 m×0。4 m 的粗糙玻璃。

該抓手能在三維物體上產生很大的抓取力。一塊 55 mm×55 mm×15 mm 的形狀記憶聚合物能在一個外徑 10 mm，內徑 8 mm 的鐵管上產生 171。7 N 的抓取力，是抓手自身重量的330倍，高於最近報道的一個“魔力球”結構輕巧抓手的120倍。圖2中展示了使用該抓手抓取重量為 4。16kg 的實驗平臺。此外，該抓手結構簡單，可以非常方便地縮放到不同大小來抓取 10 μm 到 1 m 尺寸之間任意形狀、不同數量的物體，如鑰匙、螺釘、鋼球陣列、螺母陣列、棗核陣列等宏觀物體，7×7 的 1 mm 鋼球陣列，10×10的 500 μm/300 μm 介觀鋼球陣列，以及操縱 75 μm 大小的不規則鐵顆粒和 10 μm 直徑的二氧化矽球。

當物體小到微觀尺寸（ 100 μm 左右或者更小）時，物體受到的表面力（特別是與抓手的黏附作用）強，會給物體的釋放帶來較大的挑戰。對於三維結構的物體（如圖2 中所示的 75 μm 不規則鐵顆粒和 10 μm 直徑的二氧化矽球），釋放後與抓手的接觸面積小，粘附的影響較小，依然可以順利脫粘。但一些平面的物體（如Micro-LED晶片），釋放後與抓手接觸面積大，黏附作用很強，難以實現釋放。

研究人員提出的萬能抓手策略，依靠嵌入鎖住的方式抓取物體，不用依靠粘附。因此，當粘附阻礙微觀物體釋放時，我們就可以透過表面化學處理或者是增加表面粗糙度的方式來減弱黏附作用的影響，從而保證微觀物體的順利釋放。為了展示該應用，我們製備了表面粗糙的形狀記憶聚合物萬能抓手來進行Micro-LED晶片的組裝（圖3）。我們將形狀記憶聚合物表面變粗糙（圖3（a））後，其表面粘附顯著降低而抓取力基本不受影響（圖3（b）），從而保證LED晶片抓取和釋放的可靠性。使用鐳射區域性加熱釋放 LED 晶片（圖3（c）—（e）），就能按照需要，選擇性地釋放和組裝LED晶片（圖3（f），（g））。

圖3 使用形狀記憶聚合物“萬能抓手”選擇性地組裝 Micro-LED 晶片［10］（a）光滑形狀記憶聚合物（Ra=0。285 μm）和粗糙形狀記憶聚合物（Ra=3。78 μm）表面形貌的電鏡照片和表面輪廓；（b）光滑形狀記憶聚合物和粗糙形狀記憶聚合物的表面粘附以及對 1 mm×1 mm×150 μm 得LED晶片的抓取力；（c）使用鐳射區域性加熱，選擇性釋放LED晶片；（d）LED晶片嵌在形狀記憶聚合物中的剖面圖；（e）LED 晶片從形狀記憶聚合物中釋放後的剖面圖；（f）選擇性組裝到矽膠基底上的LED晶片圖案；（g）點亮的LED晶片

這種萬能抓手策略能大幅度簡化抓手的結構與控制，可以非常容易地縮放抓手的大小以處理不同尺寸、任意形狀、不同數量規模的物體。特別是在微觀情況下，依靠嵌入抓取的方式，擺脫了粘附對微觀物體釋放的限制，為微觀元件的大規模組裝提供了新思路。未來還需要在抓手響應速度和對物體材料的適應性方面開展進一步的研究。