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                          真空吸取技術的發展趨勢

                          2020-10-09

                          1、仿生吸盤
                           
                            由于常規吸盤多針對特定的工件要求,多適用于平整光滑的平面,適應的工件形狀種類少。為了適應多種工件的夾持需求,基于海洋軟體生物靈感,國內外學者對仿生吸盤進行了研究。
                           
                            Frank W. Grasso等分析了章魚吸盤的特點,并指出制造的人工吸盤必須滿足三個功能:
                           
                            人工吸盤必須滿足三個功能
                           
                           ?、倬哂新┒窢罱Y構提供表面密封以適應任意幾何表面;
                           
                           ?、诰邆淙斯のP結構可以產生吸著所需負壓力;
                           
                           ?、弁獠考∪馐沟帽晃谋砻婺茈S機械臂自由旋轉。
                           
                            周利坤等用仿生學原理和真空吸附原理,以三種仿生凹形漏斗吸盤結構模型為基礎,結合章魚吸盤平行或并列規則布局的特點,通過力學分析發現,胎面吸盤式花紋絕大部分與冰面發生有效吸附,可確保提供足夠的吸附力,提高汽車在冰面上的防滑能力。
                           
                            但是,因為章魚吸盤的肌肉組織數目龐大、緊密填滿,并具有三維結構特征,人工加工難度較大。美國科學家用復合材料3D打印技術制作人工吸盤樣品,每個吸盤只有指甲蓋大小,并使用這樣的吸盤在陸地上進行了吸著實驗??茖W家們預測,這樣的吸盤在水下使用時,性能可能進一步提升,因為水壓能提供更大的壓力。
                           
                            對于機器人的執行末端,制造像章魚吸盤那樣的人造裝置,需要制作大量的如章魚組織的人工肌肉單元,技術難度較高,也需要較高的加工成本。為了找到更易實現的結構,Jingping Hou等研究了魷魚吸盤的仿生結構特性,并以此為基礎設計并制作了人工魷魚吸盤(圖5),可用于軟體機器人末端執行器。
                           
                            隨著氣動技術、生物技術和材料技術的融合,仿生真空吸取技術方興未艾,這類新興的仿生吸盤,使用人工彈性材料,模擬海洋軟體生物變形和吸著。與常規吸盤相比,仿生吸盤能耗更少,適應性更強,有著良好的發展前景。
                           
                            2、吸盤變形產生真空度
                           
                            改變吸著容積,從而改變吸著腔壓力的方法是另一種真空吸取力產生方法。彈性體材料圍成一個密閉容腔,彈性體材料變形,使吸盤內腔室容積改變,以產生負壓。胡冰山等設計了帶偏置彈簧的偏動式SMA彈簧驅動器驅動仿生負壓吸盤(圖6),建立了該吸盤的理論模型,并通過實驗驗證了理論模型,吸盤內的負壓可達約12kPa,且能耗更少。
                           
                            3、吸盤材料優化
                           
                            除了負壓抽吸、改變吸著容積等方法獲得一定的真空度,吸盤的材料性質和吸著面的微結構也會對吸著效果產生一定的影響。
                           
                            Follador等采用絕緣彈性材料來模擬肌肉柱狀纖維束結構,以形成緊密的吸著和密封。Tramacere等比較了吸著面的微小褶皺構造對吸著效果的影響,在水下靜態吸著實驗中(圖7),液體的種類及雜質、水溫、吸盤吸著面的材質特性都會影響吸著效果。根據章魚吸盤的解剖結構,除了依靠頂端的空腔和柔軟的側邊來制造壓力(差)來形成密閉的真空以外,小吸盤材料也有特別之處?;陲@微鏡和顯微CT(微計算機斷層掃描技術)的觀察結果,吸盤的側面和邊緣生長著細小的同軸排列的纖維叢,有助于在水底凹凸不平的表面上制造密閉真空。
                           
                            結語
                           
                            隨著研究的深入和技術的進步,合理利用新技術和新方法,能優化吸盤結構、增強吸取效果,推動接觸式真空吸取技術朝著多工況適應、多形狀夾持、高效節能等方向發展。


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