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合肥工业大学仪器学院研发高负载形状记忆微夹持器

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-02-19 08:16

正文

▲第一作者：吴思竹

共同通讯作者：张亚超、劳召欣

通讯单位：合肥工业大学仪器科学与光电工程学院、安徽省测量理论与精密仪器重点实验室、安徽省智能互联系统实验室

论文DOI：10.1002/adfm.202421798（点击文末「阅读原文」，直达链接）

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合肥工业大学仪器学院激光微纳加工课题组研发了一种高负载形状记忆微夹持器（EM-SMP），结合电热和磁驱动，实现快速响应（约0.9秒）和高负载能力（载重比≈2380）。磁场用于打开夹持器，而闭合依赖电热触发的形状记忆效应，使其能安全抓取柔软和磁性物体，并在冷却后保持闭合状态而不耗能。此外，其爪形结构提升了抓取能力，使其适用于不同材质、尺寸、形状及极端环境（酸碱等）。该研究可为智能柔性机器人及精密微物体操控提供潜在应用。

背景介绍

柔性夹持器在机器人技术中具有广泛应用，相较于传统刚性夹持器，柔性夹持器利用柔性材料和特殊结构设计，能够适应不同形状的物体，实现更精确且稳定的抓取。目前，柔性夹持器的驱动方式主要包括气动、液压、电介质弹性体、光驱动和磁驱动等。其中，磁驱动夹持器因其快速响应、生物安全性和无线控制等优势备受关注。然而，现有磁驱动夹持器通常需要在整个抓取和释放过程中维持磁场，这不仅降低了夹持力，还使得夹取磁性物体变得困难。形状记忆聚合物（ SMP ）因其可在特定温度下改变形状，并在冷却后固定形状的特性，为柔性夹持器的发展提供了新的可能性。近年来，研究人员尝试将 SMP 与磁性材料结合，以增强夹持器的负载能力和适应性。例如，将 Fe₃O₄ 或 NdFeB 等磁性颗粒掺入 SMP 中，可实现磁响应和形状记忆效应的结合，从而提升夹持器的性能。然而，这些夹持器仍然面临响应速度慢、负载能力有限，以及对持续磁场依赖性强等问题。

为了克服上述挑战，本研究提出了一种电热 - 磁复合驱动的形状记忆微夹持器（ EM-SMP ）。通过飞秒激光加工技术精确制造夹持器，并在 SMP 基体中嵌入 Fe₃O₄ 颗粒和电阻丝，使其可在电流和磁场作用下快速响应。该设计仅在夹持器张开时施加磁场，而闭合依赖电热触发的形状记忆效应，从而能够安全夹取磁性物体，同时在冷却后实现无能耗的锁定状态。此外，其独特的爪形结构进一步提升了负载能力，使其在不同材料、形状和极端环境（如酸碱环境）下均能稳定工作。这一创新设计为柔性机器人、精密操作及生物医疗领域的智能夹持系统提供了新的思路和技术支持。

本文亮点

1) 电热 - 磁复合驱动，实现快速响应： 通过在形状记忆聚合物（ SMP ）中嵌入 Fe₃O₄ 颗粒和电阻丝，使夹持器能够同时响应电流和磁场，显著提升了驱动效率。夹持器的响应速度达到 ≈0.9 秒，远超传统 SMP 驱动的柔性夹持器。

2)仅在张开阶段施加磁场，降低能耗： 传统磁驱动夹持器需要在整个抓取和释放过程中维持磁场，而本研究的设计仅在张开时施加磁场， 闭合完全由电热触发的形状记忆效应驱动 。夹持后，冷却过程中无需额外能量即可保持抓取状态，显著 降低能耗 。

3)高载荷能力，超高载重比（≈2380）： 独特的爪形结构优化了夹持器的受力模式，使其能够稳固夹取比自身重 2380 倍的物体（如 84 mg 夹持器可承载 200 g 物体）。

4)适用于多种材料、形状和极端环境： 夹持器可抓取金属、玻璃、高分子材料等不同材质的物体，且适用于微米到厘米尺度的不同尺寸；可处理固体、液体和液态金属等不同形态的物体，展示了液滴混合实验和液态金属操控实验；在强酸（ pH 1.0 ）和强碱（ pH 13.2 ）环境下浸泡 30 分钟后仍能正常工作，展现出优异的耐腐蚀性能。

5)独特的“顺序闭合”策略，提高夹持精度： 通过独立加热每个夹持臂，实现顺序闭合，适用于非均匀形状或易碎物体（如豆腐、柔软粘土）的安全抓取，避免损伤目标物体。

图文解析

图 1 ：夹持器的制造过程与工作原理

图 1 展示了电热 - 磁复合驱动形状记忆微夹持器（ EM-SMP ）的制造流程和工作机制。首先，利用飞秒激光在硅胶膜上刻蚀微结构，并填充掺杂 Fe₃O₄ 颗粒的 SMP 复合材料，同时嵌入镍铬合金电阻丝，经过真空固化后形成夹持臂。夹持器的工作机制如下：当施加电流时，电阻丝加热 SMP 材料，使其软化；同时，外加磁场促使夹持臂张开。撤去磁场并切断电流后，夹持器在冷却过程中固定开合状态，实现低能耗保持。该复合驱动方式解决了传统磁驱动夹持器需持续施加磁场的限制，提高了夹持效率和稳定性。

图 2 ：夹持器的抓取和负载能力

图 2 展示了夹持器的动态抓取过程及超高负载能力。夹持器可以通过电热 - 磁复合驱动完成抓取、固定和释放循环，实现对 PTFE 微球的精准操控。值得注意的是，夹持器在无能耗状态下即可稳定举起比自身重 2380 倍的物体（ 200 g ），单臂承重比可达 9090 倍，显著优于传统柔性夹持器。此外，温度 - 变形曲线表明，该夹持器可在多个循环操作后保持稳定的响应性能，展现出良好的耐用性和可靠性。

图 3 ：夹持器的多功能性和环境适应性

图 3 展示了 EM-SMP 夹持器在不同材料、形态和环境条件下的适应能力。夹持器不仅能够操控液滴、液态金属、磁性物体和微米级颗粒（ 400 μm 硅球），还能安全夹取脆弱物体（如豆腐），证明其精确操控能力。此外，夹持器在酸碱溶液（ pH 1.0 和 pH 13.2 ）浸泡 30 分钟后仍能正常工作，展现出优异的耐腐蚀性。同时，利用顺序闭合策略，夹持器可在不损坏目标物体的情况下抓取软质、不规则形状物体（如陶土），进一步拓宽了其应用场景。

总结与展望

本研究提出了一种电热 - 磁复合驱动的形状记忆微夹持器（ EM-SMP ），结合 Fe₃O₄ 颗粒增强的 SMP 与嵌入式电阻加热，实现了快速响应（ ≈0.9 s ）、高负载能力（载重比 ≈2380 ）、低能耗锁定等优异性能。创新的顺序闭合策略确保了对柔软、易碎及不规则形状物体的精准抓取，同时，夹持器在强酸碱等极端环境中依然能稳定工作，展现出良好的耐腐蚀性和适应性。此外，飞秒激光制造工艺提升了夹持器的加工精度和响应速度，使其在智能机器人、微操作、生物医疗、实验室自动化等领域具备广泛的应用前景。该研究不仅克服了传统磁驱动夹持器的能耗高、负载能力受限等问题，还为未来的智能柔性夹持系统提供了全新的技术方案。

未来，该微夹持器仍有多方面值得优化与拓展。首先，可通过优化材料成分和电热设计，进一步提升响应速度和循环耐久性，实现更高效的形变恢复。其次，结合微纳制造技术，有望缩小夹持器尺寸，使其适用于微米级物体的精准操控。此外，集成温度、压力等传感器，并结合智能控制系统，可实现对夹持过程的实时反馈和自适应调节，提升自主操作能力。未来，探索无线控制、远程操控及多功能集成，可进一步拓展夹持器在柔性机器人、精准医疗、柔性电子制造等领域的应用潜力，同时，优化批量制造工艺，使该技术更易于产业化推广，为智能自动化领域的发展提供更广阔的空间。

作者介绍

吴思竹

合肥工业大学

吴思竹，教授，于 2014 年吉林大学物理电子专业获得博士学位。 2012 年 -2014 年在日本理化学研究所 Laser Technology Laboratory 实验室。 2014 年 9 月至今，于合肥工业大学仪器科学与光电工程学院任教。主要从事激光微纳加工、微纳米技术、先进精密制造、激光干涉技术、微光学器件、仿生功能结构等相关工作。近年来主持国家自然科学基金等十余项。发表论文 70 余篇，授权发明专利 10 余项。获中国感光学会青年科技奖，安徽省优秀研究生导师，安徽省优秀博士论文指导导师等荣誉。

张亚超，合肥工业大学副教授，硕士生导师， 2020 年获得中国科学技术大学仪器科学与技术专业工学博士学位， 2024 年 1 月入职合肥工业大学仪器科学与光电工程学院。目前主要从事飞秒激光微纳加工方法和微传感器、微流体操控领域的设计制造及应用等相关研究工作。近年来主持了国家自然科学基金青年科学基金项目，安徽省科协青年科技人才托举计划项目（ 2024-2027 年）等多项科研项目。以第一或通讯作者在 Nat. Commun. ， Adv. Mater. ， Adv. Funct. Mater. ， Nano Lett. ， ACS Nano 等领域内高水平期刊发表论文 16 篇，申请国家发明专利 1 项。研究成果以 “ 中新学者研究发现聚合物自生长效应 ” 为题受到中国日报、中国科学报、新华社等国内权威媒体广泛报道。

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