真空吸取技术的发展趋势

1、仿生吸盘

 

　　由于常规吸盘多针对特定的工件要求，多适用于平整光滑的平面，适应的工件形状种类少。为了适应多种工件的夹持需求，基于海洋软体生物灵感，国内外学者对仿生吸盘进行了研究。

 

　　Frank W. Grasso等分析了章鱼吸盘的特点，并指出制造的人工吸盘必须满足三个功能：

 

　　人工吸盘必须满足三个功能

 

　　①具有漏斗状结构提供表面密封以适应任意几何表面;

 

　　②具备人工吸盘结构可以产生吸着所需负压力;

 

　　③外部肌肉使得被吸着的表面能随机械臂自由旋转。

 

　　周利坤等用仿生学原理和真空吸附原理，以三种仿生凹形漏斗吸盘结构模型为基础，结合章鱼吸盘平行或并列规则布局的特点，通过力学分析发现，胎面吸盘式花纹绝大部分与冰面发生有效吸附，可确保提供足够的吸附力，提高汽车在冰面上的防滑能力。

 

　　但是，因为章鱼吸盘的肌肉组织数目庞大、紧密填满，并具有三维结构特征，人工加工难度较大。美国科学家用复合材料3D打印技术制作人工吸盘样品，每个吸盘只有指甲盖大小，并使用这样的吸盘在陆地上进行了吸着实验。科学家们预测，这样的吸盘在水下使用时，性能可能进一步提升，因为水压能提供更大的压力。

 

　　对于机器人的执行末端，制造像章鱼吸盘那样的人造装置，需要制作大量的如章鱼组织的人工肌肉单元，技术难度较高，也需要较高的加工成本。为了找到更易实现的结构，Jingping Hou等研究了鱿鱼吸盘的仿生结构特性，并以此为基础设计并制作了人工鱿鱼吸盘(图5)，可用于软体机器人末端执行器。

 

　　随着气动技术、生物技术和材料技术的融合，仿生真空吸取技术方兴未艾，这类新兴的仿生吸盘，使用人工弹性材料，模拟海洋软体生物变形和吸着。与常规吸盘相比，仿生吸盘能耗更少，适应性更强，有着良好的发展前景。

 

　　2、吸盘变形产生真空度

 

　　改变吸着容积，从而改变吸着腔压力的方法是另一种真空吸取力产生方法。弹性体材料围成一个密闭容腔，弹性体材料变形，使吸盘内腔室容积改变，以产生负压。胡冰山等设计了带偏置弹簧的偏动式SMA弹簧驱动器驱动仿生负压吸盘(图6)，建立了该吸盘的理论模型，并通过实验验证了理论模型，吸盘内的负压可达约12kPa，且能耗更少。

 

　　3、吸盘材料优化

 

　　除了负压抽吸、改变吸着容积等方法获得一定的真空度，吸盘的材料性质和吸着面的微结构也会对吸着效果产生一定的影响。

 

　　Follador等采用绝缘弹性材料来模拟肌肉柱状纤维束结构，以形成紧密的吸着和密封。Tramacere等比较了吸着面的微小褶皱构造对吸着效果的影响，在水下静态吸着实验中(图7)，液体的种类及杂质、水温、吸盘吸着面的材质特性都会影响吸着效果。根据章鱼吸盘的解剖结构，除了依靠顶端的空腔和柔软的侧边来制造压力(差)来形成密闭的真空以外，小吸盘材料也有特别之处。基于显微镜和显微CT(微计算机断层扫描技术)的观察结果，吸盘的侧面和边缘生长着细小的同轴排列的纤维丛，有助于在水底凹凸不平的表面上制造密闭真空。

 

　　结语

 

　　随着研究的深入和技术的进步，合理利用新技术和新方法，能优化吸盘结构、增强吸取效果，推动接触式真空吸取技术朝着多工况适应、多形状夹持、高效节能等方向发展。