近日，振動(dòng)、沖擊、噪聲研究所張文明教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于序貫相變粘附的動(dòng)態(tài)捕獲策略，為航天微重力環(huán)境下非合作目標(biāo)的柔順高效捕獲提供了新的解決方案。研究成果“Dynamic capture enabled by sequential phase-switching adhesion”發(fā)表在期刊Science Advances上。博士生李若章為論文第一作者，張文明教授為通訊作者。
近年來，受壁虎啟發(fā)的仿生粘附材料在智能制造、機(jī)器人、柔性電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。而在航天工程領(lǐng)域，動(dòng)態(tài)粘附捕獲技術(shù)有望突破傳統(tǒng)機(jī)械捕獲的限制，為空間碎片清除和在軌檢修等應(yīng)用場景提供新方案。然而，要在高相對(duì)運(yùn)動(dòng)、短接觸時(shí)間和復(fù)雜碰撞條件下實(shí)現(xiàn)可靠的動(dòng)態(tài)捕獲，并滿足多階段任務(wù)需求，仍面臨關(guān)鍵科學(xué)與工程難題。當(dāng)前的技術(shù)路徑主要依賴復(fù)雜的機(jī)械緩沖與傳感控制系統(tǒng)，既增加了系統(tǒng)體積與重量，也無法在極短的碰撞時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)界面保護(hù)與高效能量耗散，成為制約動(dòng)態(tài)粘附實(shí)際應(yīng)用的主要瓶頸之一。
針對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)利用形狀記憶聚合物（SMP）智能材料的相變可調(diào)特性，將材料力學(xué)性能與捕獲任務(wù)多階段需求進(jìn)行精準(zhǔn)匹配。在捕獲碰撞階段，SMP置于高粘彈性特性主導(dǎo)的過渡區(qū)，能夠完成高效沖擊能量耗散并延緩界面裂紋擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)可靠抓捕；在操控階段，SMP切換至堅(jiān)硬的玻璃態(tài)，提供高連接剛度與強(qiáng)界面粘附力，確保穩(wěn)定精準(zhǔn)搬運(yùn)和轉(zhuǎn)移；在釋放階段，SMP進(jìn)入柔軟的橡膠態(tài)，降低粘附強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)低能耗、可控分離。基于該調(diào)控策略，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了由仿生微結(jié)構(gòu)粘附層和SMP框架型背襯層構(gòu)成的復(fù)合型智能粘附結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，該結(jié)構(gòu)可在單位面積動(dòng)能超過3800J/m2的高能碰撞中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定捕獲，其性能較目前的動(dòng)態(tài)粘附捕獲系統(tǒng)提升約6倍，并表現(xiàn)出良好的柔順適應(yīng)性、抗反彈能力和循環(huán)復(fù)用性。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將該智能粘附結(jié)構(gòu)集成于微型捕獲機(jī)器人前端，并在地面自由漂浮環(huán)境下開展了全流程動(dòng)態(tài)捕獲模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了其在航天微重力環(huán)境中的可行性與穩(wěn)定性。
該研究不僅為航天非合作目標(biāo)捕獲任務(wù)提供了全新的技術(shù)路徑，也為仿生粘附材料在高動(dòng)態(tài)場景下的應(yīng)用開辟了新方向。未來，該技術(shù)有望在空間在軌服務(wù)、智能飛行機(jī)器人、工業(yè)生產(chǎn)線裝配等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adz7566
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