在科學研究、工業生產和日常生活中，經常需要使用抓手來抓取、操縱和組裝物體。物體的抓取和操縱是機械系統的一項基本卻極具挑戰的任務，因為這些物體的尺寸範圍廣（橫跨宏觀尺度到微納米尺度），形狀各異，數量規模不一，有時甚至有一些特殊要求（如在轉印應用中，拾取時要求一次性抓取大量元件，印刷時卻要求選擇性地釋放部分元件），因此很難使用一種通用方法來實現。
浙江大學宋吉舟教授課題組基於形狀記憶聚合物，提出了一種適用於多尺度（1μm~1m）、任意形狀物體的通用抓手。該抓手為簡單的形狀記憶聚合物塊體，可以非常方便地進行縮放，以處理不同尺寸的物體（圖1）。
圖1：不同尺度的形狀記憶聚合物抓手
該設計利用形狀記憶聚合物的模量智能調控效應，臨時形狀保持效應和永久形狀記憶效應來完成物體的抓取和釋放（圖2）。抓取時，先在外部刺激作用（如光、熱）下，讓形狀記憶聚合物轉變到低模量的柔軟狀態，在該狀態下將物體或者物體表面的結構嵌入形狀記憶聚合物中；之後去掉外部刺激，讓形狀記憶聚合物回到高模量狀態，保持該變形的臨時形狀，將物體鎖住，從而把物體抓取起來。將物體轉移到目的地之後，再次施加外部刺激，則形狀記憶聚合物恢復初始形狀，將物體“吐出”從而釋放。
圖2 通用形狀記憶聚合物抓手抓取和釋放物體的流程示意圖
該抓手能在各種典型的三維結構物體，如球體、方塊、管狀物體、螺栓、螺母、棗核、鑰匙串等上產生巨大的抓取力（圖3）。同時，該抓手還適用於平面形狀的物體。在光滑玻璃（表面粗糙度Ra = 0.019 um）上的粘附強度可達113.9 kPa，在粗糙的磨砂玻璃 (Ra = 2.2 um)上粘附強度也強至81.7 kPa，和壁虎粘附的典型值100 kPa可比（圖3）。
圖3 通用形狀記憶聚合物抓手對典型宏觀物體的抓取能力
當物體尺寸小到微觀尺度（100 um左右或者更小），物體受到的表面力，特別是與抓手的粘附作用強，會給物體的釋放帶來挑戰。在該設計中，抓取通過把物體或者其表面結構鎖在抓手中實現，不依賴抓手的粘附力，所以當粘附力給物體釋放帶來挑戰時，就可以使用表面化學處理或者增加表面粗糙度的方法來減弱粘附來實現物體釋放。即使是對於75 um大小的不規則鐵顆粒或者是直徑10 um的二氧化硅球，物體也能順利從抓手上釋放（圖4）。
圖4 使用通用形狀記憶聚合物抓手操縱75 um 的不規則鐵顆粒和10 um 直徑的二氧化硅球
該工作創新性地提出了一種適用於多尺度，任意形狀的物體抓取操縱的解決方案，其結構簡單，適應性強，能有效地解決機械抓手面臨的挑戰，同時不依賴粘附力的抓取方式為轉印技術也提供了一種新思路。這一成果近期以“Universal SMP Gripper with Massive and Selective Capabilities for Multi-scaled, Arbitrarily Shaped Objects”為題發表在Science Advances 上。文章共同第一作者為浙江大學碩士生令狐昌鴻和博士生張順，通訊作者為浙江大學宋吉舟教授。該項目得到了國家973計劃、國家自然科學基金和中央高校基本科研業務費專項資金等的支持。
該論文作者為：Changhong Linghu, Shun Zhang, Chengjun Wang, Kaixin Yu, Chenglong Li, Yinjia Zeng, Haodong Zhu, Xiaohui Jin, Zhenyu You, and Jizhou Song
論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aay5120
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