黏附（法向）与摩擦（切向）的快速调控是壁虎、蜘蛛、蝈蝈、蝗虫等生物实现攀爬运动的界面接触力学基础。除了勾爪结构作为针对粗糙表面附着的通用方式外，面对相对光滑的表面，“微纳米刚毛阵列”或“柔性光滑摩擦垫”是这类生物足底实现黏附/摩擦与脱附调控常见的结构特征，在生物足垫组织的内驱作用下，界面的黏附力与摩擦力随着接触面积的调控而即时变化，从而实现稳定的附着与快速黏脱附攀爬行为。

图1 自然界攀爬类生物足底常见的两类增摩/增黏结构：“微纳米刚毛阵列”（Annual Review of Materials Research, 2014, 44.1: 173-203）与“柔性光滑摩擦垫”（Tribology International, 2023, 189: 108973）

在仿生黏附技术发展过程中，黏附与脱附行为切换的快速性、可靠性与经济性，直接影响着其在界面操控领域的工程应用进程。近年来国内外学者借以热、光、电、磁以及仿生壁虎刚毛结构的角度控制等方式实现了仿生黏附-脱附控制，甚至展现出了足以媲美生物黏脱附控制的能力，为仿生黏附技术的工程应用奠定了基础。而以切向摩擦为主要力学特征的“柔性光滑摩擦垫”结构，其摩擦与黏附性能的调控研究仍有待探索。

近日，南京航空航天大学机电学院姬科举/戴振东团队联合德国基尔大学Stanislav N Gorb院士团队，在《Advanced Functional Materials》发表的最新研究，通过振动诱导驱动梯度化模量的曲面光滑垫结构，实现了曲面“柔性光滑摩擦垫”黏附力与摩擦力的双向动态调控，为仿生摩擦材料的可控黏附提供了新的技术路径。

研究团队以蝈蝈足底带有曲面光滑柔性的摩擦垫结构为仿生对象，通过磁控梯度化变模量调控与微纳制造技术协同，依次从曲率半径(R), 接触层厚(T), 支撑层直径(D), 和梯度化程度(G’)等四个参数入手，研制了仿生曲面特征的柔性光滑摩擦垫。

柔性光滑摩擦垫结构的梯度磁性粒子分布有助于实现低预压条件下的粗糙度表面适应性，以及负载情况下的结构稳定性。该摩擦垫具有良好的界面摩擦性能（摩擦强度>130.0 kPa）及目标表面特性的适应性（倾角≥ 3°，粗糙度≥ Ra 0.8 μm，振动环境≥ 400 Hz/60 μm）。

试验研究了微振动诱导因素对摩擦垫结构的黏附/摩擦双向调控机制，实现了小于30 毫秒的黏脱附切换（比人类眨眼的速度100-400毫秒快一个量级，与壁虎黏脱附切换时间约15毫秒相当），其黏脱附开关比达46.8、黏脱附转换效率为97.9 %。

图2 柔性光滑摩擦垫的仿生设计原理与振动调节黏附/摩擦机制

图3 柔性光滑摩擦垫的法向黏附与切向摩擦性能随振动影响因素的变化情况

研究人员探讨了柔性光滑摩擦垫依赖于振动频率和振幅的黏附与脱附切换机制，振动调制扮演着关键的“开关”角色。研究发现，不同频率的振动会诱导引发截然不同的界面效应：低频振动（0.1-100 Hz）通过弹性主导增强附着（模式Ⅰ），而高频振动（101-400 Hz）则通过黏性耗散减弱附着（模式Ⅱ）。这种频率选择性的黏附功转变机制，使得通过简单调节振动参数即可实现黏附与脱附的切换，振动参数调节的响应性与黏脱附切换速度之间可形成即时映射关系。

图4 动态调节粘附/摩擦的多物理场（振动-应力-能耗）耦合机制分析与模拟

这项技术的研究将“摩擦”与“黏附”力学行为通过“振动”方式构建了相互切换的媒介，通过对振动参数的编程设计，可超快的实现法向黏附与切向摩擦两个维度的接触应力即时调控，该仿生结构设计与外场诱导行为调控方法可应用于智能拾取末端执行器、仿生爬壁机器人、高效传输装备等领域。

图5 基于振动诱导的智能拾取末端执行器应用场景演示

相关工作以“Ultrafast Adhesion/Friction Bidirectionally Switchable Control by Vibration”为题发表在Advanced Functional Materials上，南航机电学院博士生陈健为第一作者，姬科举/戴振东老师为共同通讯作者。本研究受到国家自然科学基金（62233008、52075249）、中国载人航天工程空间医学实验项目（HYZHXM01009）和天元实验室项目（24-JSKY-ZZKT-14）的共同资助。