受天鹅绒蠕虫启发：软胶机器东谈主如何已毕刚度可调的粘附限度
人人好！今天来了解一篇袖珍机器东谈主推敲——《Stiffness-tunable velvet worm–inspired soft adhesive robot》发表于《SCIENCE ADVANCES》。人人想想，在东谈主体里面这么复杂的环境中，袖珍机器东谈主要褂讪操作，粘附限度是何等关节啊！就像壁虎能在墙壁上解放行走，当然生物的粘附计谋给了科学家们好多启发。而天鹅绒蠕虫的特殊手段更是让推敲者们目下一亮。接下来，就让咱们统共望望这款受天鹅绒蠕虫启发的软胶机器东谈主，它在刚度可调的粘附限度方面有哪些横蛮之处。
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一、推敲配景
在袖珍出动机器东谈主畛域，其良友限度和先进出动性在微创医疗操作中具有迫切意旨，但粘附限度方面的推敲仍存在诸多挑战。在东谈主体里面等复杂环境中，如神圣、有纹理和柔滑组织名义，袖珍机器东谈主的粘附限度功能至关迫切，关系词在小步调下，粘附、摩擦和名义能关系问题呈指数增长，使得在体内褂讪操作成为辛苦。
当然生物的粘附计谋为东谈主工系统提供了灵感。举例，贻贝卵白、壁虎、青蛙、甲虫足毛和章鱼吸盘等生物的粘附格式被世俗推敲。关于可切换粘合剂，东谈主们更倾向于推敲非化学粘附参数的限度，如通过光、热、磁场和压力等可逆可控能源，基于机械能源学表面分析，尝试通过改变构兵面积、界面改动、能量散布、气动变化、模量增强和静电等格式限度有用粘附，同期遐想三维微/纳米结构也备受关怀。弹性模量在微步调粘附系统中尤为迫切，它影响共形名义构兵和机械强度。天鹅绒蠕虫通过独到机制限度唾液弹性模量来捕食或出动，其分泌物中的纳米球在机械应力下自拼装成纳米和微纤维，从而增强弹性模量，这为推敲提供了新想路。
二、推敲着力
（一）MRE优化用于粘附限度
MRE因其优异的磁反馈性而成为持手的假想粘合剂材料。为优化其性能，给与羰基铁颗粒（CIPs，直径约5μm）和高柔滑性弹性体Ecoflex-10构建MRE复合材料。通过浅易复合夹杂工艺惩办CIPs聚积问题，并通过荒谬热固化减少其在基质中的千里降，确保精真金不怕火分散和最小孔隙率。
在优化经过中，重心推敲了弹性模量和名义能变化对粘附的影响。跟着CIPs比例加多，MRE的磁矩变化更权臣，拉伸模量（影响剪切粘附的剪切模量）也相应加多，但启动模量的加多会导致材料模量变化率（∆E/E0）裁减。同期，名义能随填料比例加多而裁减，但磁场变化引起的变化率略有加多。通过本质详情了材料粘附变化最高的临界质地分数为300wt%。MRE模量改动时辰小于60ms，经1000次重迭测锻真金不怕火证了其机械性能的永恒性。
（二）3D结构化MRE粘合剂的粘附分析
1、粘附力测量与限度公约
推敲了不同构成比例的3D结构化MRE在磁场和不同基底作用下的粘附力。MRE的粘附限度公约包括：在无磁场时，柔滑气象的MRE粘合剂以富裕预载力粘附筹算，确保大构兵面积；磁场加多时，颗粒间力终端聚积物复原力，防守大构兵面积并加多MRE弹性模量，从而提高粘附强度。
在晶片名义，预载前后构兵面积相对恒定，粘附力主要受模量加多影响；在神圣名义，预载时MRE变形改变聚积物复原力和启动构兵面积，磁场作用下CIPs眩惑力终端聚积物复原力，退缩构兵面积改变，此时300wt%MRE确认出最高粘援救粘附变化率。
2、表面模子与有限元分析（FEM）
通过FEM数值模拟和方程，比较了弹性体复原力（Fr）和颗粒间眩惑力（Fa），以采集MRE粘附限度经过，包括构兵面积（A）、弹性模量（E）和粘附力（FN,M）等元素。终端标明，高弹性粘合剂结构中的共形构兵对提高粘附强度至关迫切，限度模量对机械分袂有迫切孝敬。
3、3D结构的上风
3D结构的MRE粘合剂提高了对软质粗陋名义的适用性。关于低力袖珍机器东谈主，3D结构裁减了有用弹性模量，提高了MR粘附经过着力，减少了预载力需求。
蘑菇状结构影响剪切粘援救有用刚度，其分层结构产生的范德华力可褂讪构兵神圣名义。在树皮（均方根神圣度Rq:2.9μm）或猪皮（Rq:1.27μm）等神圣名义，平面结构因强机械阻力终端了流变性能，而蘑菇状结构在低预载（1.5N/cm²）下仍能确保有用MR效应，提供重大粘附性能（磁场关闭时为1.35N/cm²，磁场开启时为2.93N/cm²），并能有用限度粘附。
3D结构还能惩办MR经过在持取软质材料方面的局限性。精准制造的3D结构在交流预载下使粘合剂而非基底变形，有用裁减了MRE的有用模量，从而更高效地限度MR粘附经过以持取软质材料。
（三）物体持取、操作及肿瘤切除手术提拔
1、物体阁下本质
MRE粘合剂集成于软质毫米级机器东谈主，在无编程机器东谈主提拔下，可阁下柔滑湿润的豆腐。
编程后的机器东谈主联结MRE粘合剂，能阁下多种物体，如在外部磁场作用下，可持取和擢升湿润柔滑的生肝脏样本，还能阁下光滑湿润的三文鱼籽和软奶酪，以致能通过旋转磁场持取并拧下螺栓上的螺母。
2、肿瘤切除手术提拔
本质展示了机器东谈主在小鼠肿瘤切除手术中的行使（如图6A所示，小鼠肿瘤切除手术提拔暗示图）。肿瘤细胞名义柔滑且有皱纹，直径小，传统器具难以持取且易变成损害，而该机器东谈主能已毕平滑精准的粘附，合适持取肿瘤进行切除。
机器东谈主在手术中的具体操作经过包括接近肿瘤、增强粘附力持取、擢升肿瘤并通过手术剪刀切割。通过外部磁场限度，机器东谈主能精准持取和移除肿瘤细胞。
与配备不能切换粘合剂（纯PDMS和纯Ecoflex）的机器东谈主比拟，该机器东谈主在手术切口面积和小鼠体重变化方面确认更优，解说了可切换粘合剂在精准良友手术中的迫切性。
三、筹谋
（一）材料优化
现时推敲虽优化了常用材料，但仍需开导更软且机械变形更强的材料，以惩办里面器官与粘合剂机器东谈主界面的机械不匹配问题。同期，需提高MR颗粒在软质材料中的浸透率，以增强粘附限度的可扩张性。此外，克服MRE需络续外部能量及化学矫正不及的局限，亦然翌日材料优化的场所。
（二）增强粘附力的表面机制
1、垂直粘附力诡计
垂直粘附力（FN）把柄现存文件诡计，其中触及构兵面积（A）、界面粘附功（γ）、粘合剂柔量（C）和比例常数（k）等身分。在平坦基底上，主要筹商弹性模量和界面粘附功随磁场的变化；在神圣名义上，需迟缓追踪粘附经过，分析启动面积、聚积物复原力、构兵面积变化、MRE模量变化和总净力等元素。
2、神圣名义粘附分析
关于神圣名义，通过FEM分析联结预载力（Fp）和弹性模量测量，可赢得启动构兵面积（A0）。磁场作用下，CIPs眩惑力扼制聚积物复原力，其复原力（Fr）访佛便是预载力。CIPs间眩惑力（Fa）可通过构成比例和磁场诡计，MRE在神圣名义的粘附净力（FN）把柄不惘然况诡计。
3、蘑菇状结构对粘附的影响
蘑菇状结构通过加多构兵面积和改变模量影响粘附力，其结构遐想筹商了低预载力对机器东谈主扭矩的终端，以已毕宽名义的共形构兵。此外，机械变形与结构的协同作用为增强粘附提供了推敲契机，翌日有望开导新结构用于体内行使。
（三）行使遐想
1、肿瘤切除手术行使
机器东谈主在小鼠腿部良友肿瘤切除手术中确认迫切作用，能有用持取和擢升肿瘤细胞，减少切割面积，但本质受限于开导，当今在体外进行。翌日可与多种切割设施集成，如剪刀切割、热疗、激光、磁场良友剪刀、电线和超声等。
2、磁性系统局限与发展场所
现时磁性系统存在局限，如Helmholtz线圈难以形成均匀高强度磁场，终端了手术操作。翌日需要重大的磁场限度开导，以已毕体内雅致精准操作，如持取和特定位置固定。具备多种调度才略的软持手有望在生物医学工程畛域，如植入式闭环操作系统中拓展行使。
四、统共来作念作念题吧
1、以下哪种当然生物的粘附计谋未在文中说起手脚东谈主工系统的灵感源流？（ ）
A. 蚂蚁的群体和谐式粘附
B. 贻贝卵白的粘附格式
C. 壁虎的粘附结构
D. 章鱼吸盘的粘附旨趣
2、在优化 MRE 材料时，为惩办 CIPs 聚积问题给与了什么设施？（ ）
A. 加多 CIPs 的直径
B. 改变基质材料
C. 浅易复合夹杂工艺
D. 裁减 CIPs 的含量
3、MRE 材料中 CIPs 比例加多会导致以下哪种情况？（ ）
A. 名义能加多且变化率裁减
B. 拉伸模量裁减且变化率加多
C. 磁矩变化更权臣且拉伸模量加多
D. 弹性模量变化率加多且名义能不变
4、在神圣名义上，3D 结构化 MRE 比拟平面结构 MRE 的上风不包括以下哪项？（ ）
A. 能在低预载下确保有用 MR 效应
B. 有用裁减有用弹性模量
C. 终端了流变性能
D. 提供更重大的粘附性能
5、在 MRE 粘附限度经过中，磁场加多时，以下哪个身分会终端聚积物的复原力？（ ）
A. 构兵面积的加多
B. CIPs 间的眩惑力
C. 弹性模量的裁减
D. 预载力的减小
6、以下哪种物体不是软质毫米级机器东谈主在本质中成效阁下的？（ ）
A. 干燥的木块
B. 软豆腐
C. 湿三文鱼籽
D. 奶酪
7、在肿瘤切除手术中，与配备不能切换粘合剂的机器东谈主比拟，本文中的软胶机器东谈主上风在于（ ）
A. 切割速率更快
B. 肿瘤持取更安定
C. 机器东谈主通顺更活泼
D. 手术切口面积更小
8、为了克服 MRE 材料当今的局限，翌日推敲场所不包括以下哪项？（ ）
A. 开导更软且机械变形更强的材料
B. 提高 MR 颗粒在软质材料中的浸透率
C. 加多 MRE 对外部磁场的依赖进度
D. 通过化学设施矫正材料
9、在增强粘附力的表面机制中，关于神圣名义粘附经过分析，以下哪个元素不是必须筹商的？（ ）
A. 启动构兵面积
B. 聚积物的神气变化
C. 构兵面积变化
D. MRE 模量变化
参考文件：
Hyeongho Min et al. ,Stiffness-tunable velvet worm–inspired soft adhesive robot. Sci. Adv.10, eadp8260(2024).