群众好！今天来了解一篇小型机器东说念主商酌——《Stiffness-tunable velvet worm–inspired soft adhesive robot》发表于《SCIENCE ADVANCES》。群众想想，在东说念主体里面这么复杂的环境中，小型机器东说念主要沉静操作，粘附限制是何等要津啊！就像壁虎能在墙壁上目田行走，当然生物的粘附战术给了科学家们好多启发。而天鹅绒蠕虫的特殊妙技更是让商酌者们目下一亮。接下来，就让咱们一皆望望这款受天鹅绒蠕虫启发的软胶机器东说念主，它在刚度可调的粘附限制方面有哪些是非之处。

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一、商酌配景

在小型挪动机器东说念主限度，其辛苦限制和先进挪动性在微创医疗操作中具有伏击意象，但粘附限制方面的商酌仍存在诸多挑战。在东说念主体里面等复杂环境中，如鄙俗、有纹理和柔嫩组织名义，小型机器东说念主的粘附限制功能至关伏击，但是在小范例下，粘附、摩擦和名义能联系问题呈指数增长，使得在体内沉静操作成为辛勤。

当然生物的粘附战术为东说念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步地被广泛商酌。关于可切换粘合剂，东说念主们更倾向于商酌非化学粘附参数的限制，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，尝试通过改动构兵面积、界面转化、能量散布、气动变化、模量增强和静电等步地限制灵验粘附，同期瞎想三维微/纳米结构也备受关怀。弹性模量在微范例粘附系统中尤为伏击，它影响共形名义构兵和机械强度。天鹅绒蠕虫通过私有机制限制唾液弹性模量来捕食或挪动，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，这为商酌提供了新想路。

二、商酌收场

（一）MRE优化用于粘附限制

MRE因其优异的磁反应性而成为握手的瞎想粘合剂材料。为优化其性能，采纳羰基铁颗粒（CIPs，直径约5μm）和高柔嫩性弹性体Ecoflex-10构建MRE复合材料。通过浮浅复合搀和工艺处理CIPs团员问题，并通过非常热固化减少其在基质中的千里降，确保精湛分散和最小孔隙率。

在优化流程中，要点商酌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的磁矩变化更显贵，拉伸模量（影响剪切粘附的剪切模量）也相应加多，但运行模量的加多会导致材料模量变化率（∆E/E0）缩短。同期，名义能随填料比例加多而缩短，但磁场变化引起的变化率略有加多。通过践诺信赖了材料粘附变化最高的临界质料分数为300wt%。MRE模量转化时间小于60ms，经1000次访佛测考试证了其机械性能的经久性。

（二）3D结构化MRE粘合剂的粘附分析

1、粘附力测量与限制契约

商酌了不同构成比例的3D结构化MRE在磁场和不同基底作用下的粘附力。MRE的粘附限制契约包括：在无磁场时，柔嫩情状的MRE粘合剂以填塞预载力粘附计划，确保大构兵面积；磁场加多时，颗粒间力罢休聚合物还原力，保管大构兵面积并加多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；在鄙俗名义，预载时MRE变形改动聚合物还原力和运行构兵面积，磁场作用下CIPs眩惑力罢休聚合物还原力，细心构兵面积改动，此时300wt%MRE阐发出最高粘传诵粘附变化率。

2、表面模子与有限元分析（FEM）

通过FEM数值模拟和方程，比较了弹性体还原力（Fr）和颗粒间眩惑力（Fa），以领悟MRE粘附限制流程，包括构兵面积（A）、弹性模量（E）和粘附力（FN,M）等元素。收场标明，高弹性粘合剂结构中的共形构兵对提高粘附强度至关伏击，限制模量对机械别离有伏击孝敬。

3、3D结构的上风

3D结构的MRE粘合剂提高了对软质或者名义的适用性。关于低力小型机器东说念主，3D结构缩短了灵验弹性模量，提高了MR粘附流程着力，减少了预载力需求。

蘑菇状结构影响剪切粘传诵灵验刚度，其分层结构产生的范德华力可沉静构兵鄙俗名义。在树皮（均方根鄙俗度Rq:2.9μm）或猪皮（Rq:1.27μm）等鄙俗名义，平面结构因强机械阻力罢休了流变性能，而蘑菇状结构在低预载（1.5N/cm²）下仍能确保灵验MR效应，提供精深粘附性能（磁场关闭时为1.35N/cm²，磁场开启时为2.93N/cm²），并能灵验限制粘附。

3D结构还能处理MR流程在握取软质材料方面的局限性。精准制造的3D结构在疏通预载下使粘合剂而非基底变形，灵验缩短了MRE的灵验模量，从而更高效地限制MR粘附流程以握取软质材料。

（三）物体握取、操作及肿瘤切除手术赞成

1、物体附近践诺

MRE粘合剂集成于软质毫米级机器东说念主，在无编程机器东说念主赞成下，可附近柔嫩湿润的豆腐。

编程后的机器东说念主辘集MRE粘合剂，能附近多种物体，如在外部磁场作用下，可握取和普及湿润柔嫩的生肝脏样本，还能附近光滑湿润的三文鱼籽和软奶酪，以至能通过旋转磁场握取并拧下螺栓上的螺母。

2、肿瘤切除手术赞成

践诺展示了机器东说念主在小鼠肿瘤切除手术中的欺骗（如图6A所示，小鼠肿瘤切除手术赞成暗示图）。肿瘤细胞名义柔嫩且有皱纹，直径小，传统用具难以握取且易酿成毁伤，而该机器东说念主能终了平滑精准的粘附，符合握取肿瘤进行切除。

机器东说念主在手术中的具体操作流程包括接近肿瘤、增强粘附力握取、普及肿瘤并通过手术剪刀切割。通过外部磁场限制，机器东说念主能精准握取和移除肿瘤细胞。

与配备不成切换粘合剂（纯PDMS和纯Ecoflex）的机器东说念主比拟，该机器东说念主在手术切口面积和小鼠体重变化方面阐发更优，解说了可切换粘合剂在精准辛苦手术中的伏击性。

三、扣问

（一）材料优化

现时商酌虽优化了常用材料，但仍需拓荒更软且机械变形更强的材料，以处理里面器官与粘合剂机器东说念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渗入率，以增强粘附限制的可扩张性。此外，克服MRE需不绝外部能量及化学考订不及的局限，亦然改日材料优化的办法。

（二）增强粘附力的表面机制

1、垂直粘附力打算

垂直粘附力（FN）把柄现存文件打算，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，主要议论弹性模量和界面粘附功随磁场的变化；在鄙俗名义上，需迟缓追踪粘附流程，分析运行面积、聚合物还原力、构兵面积变化、MRE模量变化和总净力等元素。

2、鄙俗名义粘附分析

关于鄙俗名义，通过FEM分析辘集预载力（Fp）和弹性模量测量，可赢得运行构兵面积（A0）。磁场作用下，CIPs眩惑力扼制聚合物还原力，其还原力（Fr）近似即是预载力。CIPs间眩惑力（Fa）可通过构成比例和磁场打算，MRE在鄙俗名义的粘附净力（FN）把柄不轸恤况打算。

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动模量影响粘附力，其结构瞎想议论了低预载力对机器东说念主扭矩的罢休，以终了宽名义的共形构兵。此外，机械变形与结构的协同作用为增强粘附提供了商酌契机，改日有望拓荒新结构用于体内欺骗。

（三）欺骗瞎想

1、肿瘤切除手术欺骗

机器东说念主在小鼠腿部辛苦肿瘤切除手术中证据伏击作用，能灵验握取和普及肿瘤细胞，减少切割面积，但践诺受限于建造，当今在体外进行。改日可与多种切割设施集成，如剪刀切割、热疗、激光、磁场辛苦剪刀、电线和超声等。

2、磁性系统局限与发展办法

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，罢休了手术操作。改日需要精深的磁场限制建造，以终了体内邃密精准操作，如握取和特定位置固定。具备多种鼎新时间的软握手有望在生物医学工程限度，如植入式闭环操作系统中拓展欺骗。

四、一皆来作念作念题吧

1、以下哪种当然生物的粘附战术未在文中说起行动东说念主工系统的灵感开始？（ ）

A. 蚂蚁的群体配合式粘附

B. 贻贝卵白的粘附步地

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，为处理 CIPs 团员问题采纳了什么设施？（ ）

A. 加多 CIPs 的直径

B. 改动基质材料

C. 浮浅复合搀和工艺

D. 缩短 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缩短

B. 拉伸模量缩短且变化率加多

C. 磁矩变化更显贵且拉伸模量加多

D. 弹性模量变化率加多且名义能不变

4、在鄙俗名义上，3D 结构化 MRE 比拟平面结构 MRE 的上风不包括以下哪项？（ ）

A. 能在低预载下确保灵验 MR 效应

B. 灵验缩短灵验弹性模量

C. 罢休了流变性能

D. 提供更精深的粘附性能

5、在 MRE 粘附限制流程中，磁场加多时，以下哪个身分会罢休聚合物的还原力？（ ）

A. 构兵面积的加多

B. CIPs 间的眩惑力

C. 弹性模量的缩短

D. 预载力的减小

6、以下哪种物体不是软质毫米级机器东说念主在践诺中见效附近的？（ ）

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，与配备不成切换粘合剂的机器东说念主比拟，本文中的软胶机器东说念主上风在于（ ）

A. 切割速率更快

B. 肿瘤握取更牢固

C. 机器东说念主畅通更纯真

D. 手术切口面积更小

8、为了克服 MRE 材料当今的局限，改日商酌办法不包括以下哪项？（ ）

A. 拓荒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渗入率

C. 加多 MRE 对外部磁场的依赖进度

D. 通过化学设施考订材料

9、在增强粘附力的表面机制中，关于鄙俗名义粘附流程分析，以下哪个元素不是必须议论的？（ ）

A. 运行构兵面积

B. 聚合物的颜料变化

C. 构兵面积变化

D. MRE 模量变化

参考文件：

Hyeongho Min et al. 九玩游戏中心官网,Stiffness-tunable velvet worm–inspired soft adhesive robot. Sci. Adv.10, eadp8260(2024).