聒噪夏日的傍晚，實(shí)驗(yàn)室外的一只日本艾蛛正在加緊織網(wǎng)，爭取趕在天黑前布下“天羅地網(wǎng)”，坐等食物上鉤。和往常一樣，艾蛛在堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)線上紡出粘合的、可拉伸的半透明捕捉線，用作框架。蜘蛛想要捕食，就必須在短時(shí)間內(nèi)一擊必殺，而捕捉線上的粘合劑涂層，就是它最可靠的絕招。半透明的捕捉線，方便其隱藏在任何的背景中，可伸縮性能幫助它應(yīng)付于各種環(huán)境。然而，粘合劑“傷人”的同時(shí)，也不可避免地造成了蛛網(wǎng)的污染，進(jìn)而降低蛛網(wǎng)的捕捉能力。因此，聰明的蜘蛛會織出最小的網(wǎng)，降低污染，一旦感知到接觸引起的蛛網(wǎng)振動后，蜘蛛會以迅雷不及掩耳盜鈴之勢，從嘴里吐出額外的線纏住虛弱的獵物，雙管齊下，確保一擊必殺。
蜘蛛的感知策略不僅能阻止獵物逃跑，而且還能幫助蜘蛛建立最小的網(wǎng)，從而將污染降到最低。此外，蜘蛛以類似于彈弓的方式拉并迅速釋放蛛網(wǎng)，使得蛛網(wǎng)上的污染物可借助慣性力反彈，從而恢復(fù)蛛網(wǎng)的捕獲能力(圖1B)。鑒于此，蜘蛛可用珠網(wǎng)獨(dú)特的感知和清潔的功能，協(xié)同作用來捕捉獵物。
柔性材料制得的軟機(jī)器人，基于其可變形的身體，可以靈活地處理不可預(yù)測和不規(guī)則的任務(wù)。迄今為止，科學(xué)家已經(jīng)嘗試將不同的組成部分結(jié)合起來，但在一個(gè)單一系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)的相互作用，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
或許，蜘蛛特殊的工作習(xí)性能給人類以啟發(fā)。而靜電學(xué)就是解決上述難題的方法之一，即使用介電彈性體和軟電極可以實(shí)現(xiàn)捕獲、檢測和清洗，同時(shí)它們還可以通過電路進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的控制。因此，采用靜電可允許一個(gè)簡單的結(jié)構(gòu)執(zhí)行互補(bǔ)功能，以產(chǎn)生協(xié)同作用(圖1 F-H)。
近日，來自韓國首爾國立大學(xué)的Young?Kim?&?Jeong-Yun?Sun等研究者模擬了基于離子蜘蛛網(wǎng)(ISWs)中的靜電原理的蜘蛛捕獲策略(圖1A-C)。ISW以可拉伸的離子導(dǎo)電有機(jī)凝膠為材料，用硅橡膠包封成一束狀制備而成(圖1D)。該有機(jī)凝膠由共價(jià)交聯(lián)聚丙烯酰胺(PAAm)鏈和乙二醇(EG)溶解氯化鋰(LiCl)組成(圖1E)。等離子蝕刻和(十七氟-1,1,2,2-四氫癸基)三氯硅烷(HDFS)處理顯著提高了清洗能力，防止了有機(jī)凝膠的蒸發(fā)，進(jìn)而提升了ISWs的耐久性。此外，與蜘蛛網(wǎng)的結(jié)構(gòu)線類似，尼龍絲用作ISWs的框架，以增強(qiáng)其力學(xué)性能。該研究成果以題為“Ionic spiderwebs”的論文發(fā)表在《Science Robotics》上（見文后原文鏈接）。
靜電吸附俘獲
蜘蛛用它們的粘性和可拉伸的網(wǎng)牢牢地捕捉各種類型的獵物，那么，人類是如何能模擬出類似的俘獲能力呢？
如圖2 (A-D)所示，在離線狀態(tài)(Vapplied?= 0)下，兩條線保持分離(圖2A)。當(dāng)施加高壓時(shí)，離子沿每根螺紋的有機(jī)凝膠/硅橡膠界面排列，在線與線之間形成麥克斯韋應(yīng)力(圖2B)。當(dāng)這些線彼此靠近時(shí)，產(chǎn)生更強(qiáng)的電場導(dǎo)致了目標(biāo)的極化。極化引起的電荷被外加電場吸引，從而ISW與靶體之間發(fā)生靜電粘附(圖2C)。
研究者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ISW與水平方向的傾斜度為80?時(shí)，附著力增加了6.5倍，說明ISW在大角度傾斜度時(shí)可以獲得較大的強(qiáng)度。如圖2I所示，柔性材料制得的ISW，當(dāng)施加50%的應(yīng)變時(shí)，附著力增加了37%，同時(shí)會產(chǎn)生更強(qiáng)的電場，從而提高靜電附著力。圖2J中可見，由于結(jié)構(gòu)簡單，0.2 g的ISWs就可以捕獲6.8 g的鋁板。
靜電感應(yīng)傳感
人類的ISW獲得了捕獲能力后，如何獲得蜘蛛的感知能力呢？
蜘蛛利用最少的網(wǎng)，降低網(wǎng)的污染，同樣，ISWs也裝備了該能力。如圖3 (D-E)所示，帶電目標(biāo)的接近會在ISWs中產(chǎn)生電壓。因此，通過外部負(fù)載測量電壓確定ISW和被測目標(biāo)之間的相對距離。沒有表面電荷的目標(biāo)便不能被感知。在大多數(shù)情況下，接近的目標(biāo)都是可以被感應(yīng)到的。
圖3F中，通過在玻璃上摩擦不同的充電材料，在目標(biāo)表面產(chǎn)生靜電荷。在1 Hz正弦波下，用0.5-1.5 cm不等的間隙距離(d)測試傳感器的感知能力(圖3G)，這些電壓能緊密地跟蹤目標(biāo)的位置。此外，目標(biāo)與ISW的接觸也可以被感知。在靶體的不同接近速度下，感應(yīng)電壓隨著外部負(fù)載電阻的增大而增大(圖3H)。
靜電振動清洗
當(dāng)ISW實(shí)現(xiàn)了捕獲和感知能力后，接下來就是實(shí)現(xiàn)清潔的能力了。如圖4 (A-C)所示，提出了基于ISWs之間靜電吸引的振動清洗。在初始狀態(tài)(Vapplied?= 0)，兩個(gè)網(wǎng)線被分離(圖4A)。當(dāng)施加高電壓時(shí)，網(wǎng)線通過麥克斯韋應(yīng)力相互吸引(圖4B)。當(dāng)施加的電壓再次接近零時(shí)，網(wǎng)線被釋放(圖4C)。因此，交替吸引和釋放引起了ISW的振動。當(dāng)振動頻率與ISW的共振頻率相匹配時(shí)，振動幅值最大，污染物便可以通過慣性反彈。
與其他污染物相比，水滴由于表面張力大，更難去除。采用HDFS對ISWs進(jìn)行全氟化降低了其表面能。同時(shí)，通過空氣等離子體處理預(yù)拉伸ISWs形成微波條紋(圖4H)，經(jīng)以上處理后水的靜態(tài)接觸角由122?提高到141.3?。HDFS處理后的微皺紋使靜態(tài)接觸角從141.3?最大化到153.3?(圖4I)。圖4J顯示了，在每個(gè)ISW上的水滴，經(jīng)過振動后，表面處理的ISW上的液滴輕易就被清除了。
離子蜘蛛網(wǎng)
是時(shí)候展現(xiàn)真正的技術(shù)了！如圖5A-C所示，由于線薄且透明，ISW在不同的環(huán)境(如森林、落葉、磚墻和建筑地板)中能輕松偽裝。為了提高附著力，ISW從水平方向傾斜到80?。在初始狀態(tài)下，ISW污染的塵埃，如聚氨酯粒子(圖5 D，i)。在清洗過程中，施加電壓的頻率被從30到60Hz掃過200秒后，覆蓋在ISW上的灰塵被明顯地清除了(圖5 D, ii)。在清洗后，ISW轉(zhuǎn)變?yōu)闊o外加電壓的傳感模式。當(dāng)一個(gè)接近目標(biāo)引起的感應(yīng)電壓超過閾值電壓1 V, ISW迅速轉(zhuǎn)化為捕獲模式(圖5 D iii)。各種類型的材料，如一片葉子(0.4 g), PMMA (3.1 g)，玻璃(8.5 g)以及鋁(11 g)?被ISW的靜電附著緊緊抓住(圖5 D, iv)。完成任務(wù)后，通過對ISW施加30 Hz的交流電壓時(shí)，目標(biāo)被釋放(圖5 D, V)。
小結(jié)
綜上所述，研究者受到蜘蛛在蜘蛛網(wǎng)中捕捉獵物的啟發(fā)，?在ISWs中模仿了捕捉、感知和清結(jié)的能力。通過靜電學(xué)的方法，利用硅橡膠封裝的單對離子導(dǎo)電有機(jī)凝膠實(shí)現(xiàn)了上述特性。提出的ISWs為軟機(jī)器人提供了一個(gè)設(shè)計(jì)原則，可以通過仿真自然協(xié)同功能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各部件之間的互補(bǔ)交互。ISWs有望在未來應(yīng)用于機(jī)器人的自我清潔。
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