面向非平行接触高强度黏附的具有“活动内核”的自适应核壳结构

王铎睿; 田洪淼; 张晋瑜; 刘浩然; 李祥明; 王春慧; 陈小亮; 邵金友

doi:10.1016/j.eng.2024.12.035

工程（英文） ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (12) : 86 -95. DOI: 10.1016/j.eng.2024.12.035

研究论文

面向非平行接触高强度黏附的具有“活动内核”的自适应核壳结构

王铎睿 ^a^,^b ,
田洪淼 ^a ,
张晋瑜 ^a ,
刘浩然 ^a ,
李祥明 ^a^,^b ,
王春慧 ^a ,
陈小亮 ^a^,^b ,
邵金友 ^a^,^b

作者信息 +

Self-Adaptive Core-Shell Dry Adhesive with a “Live Core” for High-Strength Adhesion Under Non-Parallel Contact

Duorui Wang ^a^,^b ,
Hongmiao Tian ^a^,^* ,
Jinyu Zhang ^a ,
Haoran Liu ^a ,
Xiangming Li ^a^,^b ,
Chunhui Wang ^a ,
Xiaoliang Chen ^a^,^b ,
Jinyou Shao ^a^,^b^,^* ,

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摘要

受壁虎启发的基于范德华力的界面黏附技术在机器人操作中展现出巨大的应用潜力。尽管在平行接触状态下已实现优异的黏附性能，但实际工程操作往往涉及非平行接触，其会严重削弱黏附力并影响操作任务的稳定性和效率，因此在非平行接触下实现高强度稳定附着仍具有挑战性。本文受壁虎足底柔软肌肉和坚硬骨骼的启发，通过将刚性薄片嵌入弹性体中，提出了一种核壳型自适应黏附结构。弹性体顶部为蘑菇状黏附末端以实现范德华力界面黏附，底部为核壳构型以调节界面应力。与传统核壳结构中固定的“内核”不同，本文提出的“活动内核”可在软壳内模拟骨骼关节任意旋转，从而实现界面应力均分，有效提升对界面角度误差的自适应接触能力。本文提出的创新核壳构型在非平行接触下的黏附强度比传统均质结构高出100倍；同时，通过减小角度误差带来的扭转力矩，赋予了黏附结构优异的抗翻转能力，为受壁虎启发的黏附结构及器件系统的研发提供了新思路。

Abstract

Gecko-inspired van der Waals force-based adhesion technology demonstrates significant potential for robotic operations. While superior adhesion is achieved under parallel contact during testing, engineering operations often involve non-parallel contact, weakening adhesion, and compromising task stability and efficiency. Stable attachment under such non-parallel contacts remains challenging. Inspired by the soft muscle and rigid bone in the gecko’s sole, this study proposes a self-adaptive core-shell dry adhesive by embedding a thin, rigid piece into a soft, thick elastomer comprising a top adhesion tip with a mushroom-like geometry for interfacial adhesion based on the van der Waals force and a bottom core-shell configuration for interface stress regulation. Unlike traditional core-shell structures with a fixed “dead core,” the proposed “live core” rotates within the soft shell, mimicking skeletal joints. This enables stress equalization at the interface and facilitates adaptive contact to macroscopic interfacial angle errors. This innovative core-shell configuration demonstrates an adhesion strength 100 times higher than conventional homogeneous structures under non-parallel contact and offers anti-overturning ability by mitigating torsional effects. The proposed strategy can advance the development of gecko-inspired adhesion-based devices and systems.

关键词

仿生干黏附 / 自适应 / 核壳结构 / 活动内核 / 抗翻转

Key words

Bioinspired dry adhesives / Self-adaptive / Core-shell / Live core / Anti-overturning

引用本文

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王铎睿,田洪淼,张晋瑜,刘浩然,李祥明,王春慧,陈小亮,邵金友. 面向非平行接触高强度黏附的具有“活动内核”的自适应核壳结构[J]. 工程（英文）, 2025, 55(12): 86-95 DOI:10.1016/j.eng.2024.12.035

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1 引言

受壁虎启发的干黏附材料凭借其创新的黏附机理和精巧的原型设计，在夹持器[1]、产线输运[2‒4]、皮肤贴片[5‒9]及攀爬机器人[10‒12]等领域展现出巨大的应用潜力[13‒18]。在基于黏附的操作中，紧密的平行接触是实现有效抓取与运输的核心前提，尤其是实验室测试环节，对平行度的控制精度要求极高。然而在实际工程应用中，非平行接触难以避免，且会严重影响任务的稳定性与执行效率。例如，在集成电路（IC）生产线中，非平行接触可能导致液晶面板、硅片等易碎材料抓取失稳，引发物体掉落破损的风险。

非平行接触下仅0.1°的角度误差就会引发界面剥离行为，导致应力均分程度下降，使黏附强度骤降50%以上[19‒21]。即便理论黏附值很高的人工干黏附材料，在实际应用中面对角度误差往往表现出较低的黏附性能[22‒24]。为此，平面-平面黏附测试需要借助电荷耦合器件（CCD）观测系统、机械对准装置等复杂实验手段，才能确保黏附结构和目标表面有效对准。同理，工业操作流程中也需要配备高精度实时检测系统来补偿角度误差带来的影响。这类依赖机械机构和视觉系统实现平行接触的方法，需要实时解算黏附材料与目标界面的位置姿态，难以满足空间操作、产线运输等高速快节奏应用场景的需求。如何通过简单工艺实现非平行接触下的稳定附着，仍是壁虎仿生黏附材料工程化应用面临的重大挑战。

接触面积不足是角度误差状态下黏附强度下降的根本原因。为此，研究人员探索了多种黏附增强策略[19,25‒26]，包括材料优化（降低黏附材料弹性模量）[8,27‒28]和结构设计（优化深宽比、采用多级结构或变尺寸梯度结构）[5,29‒34]，试图通过降低黏附材料的整体等效刚度来提升接触适应性。尽管这些方法在一定程度上改善了界面共形接触，但单一模量调控的软结构普遍存在载荷均匀分布能力差的问题，易萌生裂纹诱发界面剥离，最终增强效果有限[35‒36]。变刚度黏附材料（软接触-硬脱附）通过动态调节材料刚度有效优化了界面应力分布[1,37‒41]，但外场调控的方式使其结构复杂、响应速度慢，无法满足快速适配的工程需求。而且上述策略仅在粗糙表面上表现出一定效果，难以应对非平行接触下的宏观角度误差问题。

核壳结构结合了软质外壳与刚性内核的优势，既能通过软质部分实现界面的柔顺贴合，又能借助刚性部分抑制界面裂纹扩展[42‒46]。在前期研究中，本团队提出了一种基于软壳硬核的蘑菇状黏附结构，并验证了其在不同粗糙度表面（毛玻璃、砂纸等）上的优异黏附性能[47]。然而现有核壳结构仅能在平行接触下实现光滑/粗糙表面的黏附增强，无法解决大尺度非平行接触问题。究其原因，在于其刚性内核是“固定”的，即被完全束缚在软壳内部，仅依靠顶部薄层软壳实现微观尺度的共形接触。有趣的是，壁虎之所以能在同时具备微观粗糙形貌和宏观角度误差的表面灵活攀爬，同样依赖于“软肌肉-硬骨骼”的核壳结构。与传统基于“固定内核”的核壳结构不同，壁虎软质外壳（肌肉）内部的刚性内核（骨骼）可在关节处灵活转动，而非保持静止（附录A中的图S1）。这种“活动内核”使壁虎脚掌能够通过整体转动适应宏观角度，同时在平行接触时凭借高刚性调控界面应力分布，确保黏附界面的适应性与稳定性。

受此启发，本文将刚性薄片嵌入软质弹性体中，提出了一种基于“活动内核”的核壳型干黏附材料。外层软壳分为功能互补的两部分：顶部微纳结构提供高强度范德华黏附力，底部软层则保证大角度下的柔顺性。内部活动内核（即刚性薄片）可在软壳内自由转动，实现界面共形接触与载荷均匀分布[图1（a）]。这种软硬协同的设计使黏附材料在倾斜接触下仍能保持优异的黏附性能。此外，该核壳结构能有效抵消黏附状态下扭转行为产生的能量积累，使材料在抓取偏心物体时具备出色的抗翻转能力。

2 材料和方法

2.1 实验材料

除非另有说明，本文所用溶剂和化学试剂均为市售分析纯，未进行进一步纯化。聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚体与交联剂（Sylgard184）购自美国道康宁公司；硅橡胶（AB-600）购自深圳红叶杰科技有限公司；大口径楔形透镜购自深圳美典亚克力制品有限公司。

2.2 蘑菇状黏附结构的制备

采用PDMS通过标准模塑工艺制备蘑菇状黏附结构。本文使用本团队自主开发的双面曝光工艺制备模具，可实现结构参数可控、均匀性良好的蘑菇状微结构加工。将PDMS基体与固化剂按10∶1的质量比混合搅拌均匀，倒入模具后抽真空10 min去除气泡，随后进行旋涂，置于80 ℃烘箱中固化1 h，最后脱模得到样品。制备的蘑菇状微结构高度约为14 μm，间距为4 μm，帽檐直径为18 μm，柱体直径为14 μm。

2.3 核壳黏附结构的制备

自适应核壳型黏附材料主要采用模塑法制备，具体流程如下：首先通过双面曝光工艺制备15 mm×15 mm的黏附结构模具；将PDMS倒在模具表面，置于真空室10 min，以2000 r·min^－1的转速旋涂40 s；随后将玻璃片平整放置在未固化的PDMS表面，置于90 ℃烘箱中加热1 h使PDMS完全固化。将未固化的硅橡胶（AB-600，弹性模量E = 400 kPa）倒在玻璃表面，为将硅橡胶层厚度控制在毫米级，在样品周围放置尺寸为15 mm×15 mm×10 mm的限位方框，通过向方框内倒入不同质量的硅橡胶预聚体，得到不同厚度的硅橡胶层。最后将样品置于90 ℃烘箱中固化1 h，拆除限位方框并脱模，得到最终的自适应核壳型黏附材料。

2.4 软质黏附结构的制备

采用双面曝光工艺制备15 mm×15 mm的黏附结构模具；将PDMS倒在模具表面，抽真空10 min后以2000 r·min^－1的转速旋涂40 s；随后将尺寸为15 mm×15 mm×4 mm的硅橡胶块放置在未固化的PDMS表面，置于90 ℃烘箱中加热1 h使PDMS固化，脱模后得到软质黏附结构。

2.5 刚性黏附结构的制备

采用双面曝光工艺制备15 mm×15 mm的黏附结构模具；将PDMS倒在模具表面，抽真空10 min后以2000 r·min^－1的转速旋涂40 s；随后将尺寸为15 mm×15 mm×4 mm的玻璃块放置在未固化的PDMS表面，置于90 ℃烘箱中加热1 h使PDMS固化，脱模后得到刚性黏附材料。

2.6 法向黏附性能测试

采用加载-拉拔模式测试黏附结构的法向黏附性能。测试原理为：使探针与样品接触形成特定接触面积，随后反向移动探针直至两者完全分离，将分离前瞬间产生的最大拉力定义为最大黏附力。所用平面探针尺寸为2 cm×2 cm。将黏附结构固定在刚性基座上，通过角位移平台调整其与探针表面呈平行/非平行状态。测试时，探针以2 mm·min^-1的速度向下移动接触样品，施加预设预载荷并保持2 s，随后以相同速度向上移动，直至探针与黏附结构完全分离。采用CCD相机实时观测黏附材料与物体表面的接触状态。所有测试重复3次，并计算结果的标准偏差。

2.7 材料表征

采用扫描电子显微镜（SU8010，日本日立公司）观察黏附材料的微观形貌；采用伺服拉压试验机（PT-1176，中国宝大公司）表征材料的黏附性能和力学性能；采用数码显微镜（RS-500C，中国科能公司）观察黏附材料与探针接触状态随时间的动态变化。

3 结果和讨论

3.1 基于“活动内核”的黏附结构设计

核壳型黏附结构的详细制备流程见附录A中的图S2，其截面形貌通过SEM进行表征[图1（b）]。制备核壳结构的核心材料为PDMS，该材料具有良好的拉伸性能、热稳定性和光学透明性，且成本低廉、易于成型，已广泛应用于微流控、柔性电子、仿生材料及软机器人等领域（附录A中的图S3）。材料顶层的黏附区域由蘑菇状纤维阵列和100 μm厚的基底薄膜组成，蘑菇状结构呈正方形阵列排布，柱体直径、帽檐直径和间距分别为14 μm、18 μm和20 μm，完全嵌入弹性体内部的刚性薄片厚度为800 μm。核壳型黏附结构各层的弹性模量分别为：顶部蘑菇状微结构2 MPa，软质背衬（软壳）400 kPa，内部刚性层（刚性内核）55 GPa。采用原子力显微镜对制备的黏附结构表面粗糙度进行表征，结果如附录A中的图S4所示。测试时在单个蘑菇状结构表面随机扫描3个不同区域，扫描面积为5 μm×5 μm，对图像进行处理后得到微结构表面的均方根粗糙度。结果表明，得益于高精度模塑工艺的优势，黏附结构表面极为光滑，粗糙度（R_q）仅为23 nm。

传统核壳结构的刚性内核固定在软壳内部，仅能部分适应微观形貌表面，忽略了背衬层在宏观接触状态下的作用机制。本文提出的自适应核壳型黏附结构将软壳的作用从微观尺度拓展至宏观尺度，强调背衬层与微结构之间的弹性协同作用，从而实现黏附性能的整体优化。当与角度误差表面接触时，刚性内核（刚性薄片）如同生物关节一般，通过自身转动使系统适应宏观倾斜角度，大幅提升实际接触面积，这是传统刚性黏附材料因高模量而无法实现的。当界面受到拉力时，刚性内核显著抑制了弹性体背衬的横向收缩，使黏附界面与拉力（F_pull）之间的夹角（θ）更接近90°，有效抑制了剥离效应，提升了界面应力（F_ad）的均匀性。相反，传统软质黏附材料受拉时，边缘易发生明显的横向收缩，减小了拉力与黏附界面的夹角，极易产生局部应力集中引发剥离效应[图1（c）]。

得益于理想接触和界面应力均分，该黏附结构在角度误差下的黏附性能得到了数量级提升[图1（d）]。与传统软质/刚性黏附结构相比，核壳型黏附结构在2°角度误差下的黏附强度提升了约100倍。此外，在软质弹性体中嵌入刚性薄片，可使材料在平行接触和非平行接触工况下均保持良好的黏附强度，这是单一均质材料无法实现的。核壳型黏附结构在倾角5°斜面上的自适应性如图1（e）所示，目标物体的尺寸表征见附录A中的图S5。弹性体的压缩使刚性薄片发生被动转动，直至其与目标表面呈平行状态，从而完成整个界面的自适应贴合过程。通过优化弹性体的弹性模量，可进一步增强这种自适应能力。此外，在黏附位置偏离目标物质心的典型抓取场景中，核壳型黏附结构也展现出优异的抗翻转能力[图1（f）]。

3.2 力学机制

为了揭示宏观软壳-刚性内核构型的黏附增强机理，本文利用ABAQUS软件的内聚力模块建立了均质软结构、均质刚性结构以及核壳型黏附结构的有限元分析模型。由于平行接触时不同黏附结构的理论接触面积相同，本文重点关注分离阶段（即达到最大黏附力的时刻）的力学行为，结果如图2（a）所示。此时，软质黏附结构的拉伸位移最大，应力分布图[图2（b）]进一步显示，软质黏附结构的接触边缘出现了极为显著的应力集中，易萌生裂纹并迅速扩展。从软质黏附结构的动态脱附过程可以清晰观察到，分离从接触界面的边缘开始，随后快速扩展至整个界面（附录A中的视频S1）。相比之下，刚性结构和核壳型黏附结构均能有效抑制界面应力集中，其中核壳型黏附结构的抑制效果更优，从而实现界面的整体分离。因此，平行接触下核壳型黏附结构的黏附性能最佳。揭示拉伸阶段到分离阶段的界面最大法向应力演化规律，有助于从脱附失效角度更为深入地理解黏附机理[图2（c）]。在相同拉伸载荷下，软质黏附结构的界面最大法向应力最高，且迅速达到损伤阈值（0.02 MPa），引发接触表面提前分离，对应的黏附力仅为3 N。而核壳型黏附结构的最大法向应力在低水平下呈线性增长，表明界面分离程度较低。尽管结构在黏附过程中主要承受法向拉压作用，但材料的横向变形也会产生剪切应力，本文也证实了核壳型黏附结构的界面切向应力同样对黏附增强有重要贡献（附录A中的图S6）。

本文同样采用基于内聚力单元的黏附力学模型，进一步研究了角度误差下的黏附增强机制。图2（d）、（e）展示了不同黏附结构在预加载和分离阶段的界面应力分布。在相同预载荷下，刚性黏附结构无法实现理想的界面接触，非接触边缘出现严重的应力集中，极易导致裂纹萌生与扩展。即便通过增大预载荷实现完全接触，由此产生的极高界面接触应力也会不可逆地损伤黏附材料和目标表面。相比之下，软质结构和核壳型黏附结构均能实现界面的完全贴合。更重要的是，刚性薄片的嵌入并未影响结构对角度误差的适应性，其本质原因在于弹性体的力学变形使得刚性薄片发生被动转动。具体而言，当黏附结构与角度误差表面接触时，刚性薄片受到扭矩作用；随着加载位移的进一步增加，刚性薄片的转动角度逐渐增大，直至结构与目标表面完全接触（附录A中的视频S2）。因此加载过程中刚性件的旋转有效提高了系统对潜在角度偏差（未对齐状态）的适应能力。

在拉伸过程中，弹性体顶层和底层逐渐释放内部储存的应变能，且由于两层的厚度和压缩状态不同，刚性薄片持续转动，直至达到最大黏附力。本文引入参数α（目标表面与刚性薄片上表面的夹角）来量化转动程度，其随时间的变化规律如图2（f）所示。接触发生后，α逐渐减小，直至达到最大预载荷；随后结构开始反向受拉，α进一步减小；当达到最大黏附力时，α降至0.25°，较初始值降低了75%。由此可见，刚性薄片的转动有效减小了实际角度偏差。根据Kroner等[48]提出的角度误差下的黏附强度计算公式，在接触面积相同的情况下，减小角度可有效提升黏附强度。

此外，加载和拉伸阶段刚性薄片的转动也显著改善了界面应力分布，如图2（g）、（h）所示。在相同预载荷和最大黏附力时刻，核壳型黏附结构的界面应力显著降低，且分布更为均匀，这使得拉拔过程中界面的最大法向接触应力[图2（i）]和最大切向接触应力（附录A中的图S7）始终保持在较低水平，从而抑制界面裂纹萌生与扩展，大幅提升黏附强度。附录A中的图S8展示了黏附结构在非平行接触下的黏附过程外力做功。由于经历了从接触到分离的状态转变，曲线出现明显的拐点，核壳结构的脱附功远高于软质结构和刚性结构，表明其黏附界面的结合强度最高。

3.3 黏附性能

为了量化核壳结构在角度对准误差下的黏附增强效果，本文同时制备了核壳结构、软质黏附结构和刚性黏附结构[图3（a）]，并测试了其在不同接触姿态下的法向黏附强度。测试目标为光滑玻璃，加载和拉拔试验速度均为2 mm·min^-1。其余两种结构的制备工艺与核壳型黏附结构类似，都是基于模塑工艺来实现的。由于仿生黏附结构的界面黏附机理主要源于范德华力，当环境湿度升高时，黏附界面会形成液膜并引入毛细力效应，导致范德华力减弱[49‒51]，黏附强度下降（附录A中的图S9）。因此，所有的实验均在环境相对湿度（RH）50%的条件下进行，详细测试流程见附录A中的图S10。本文通过力学拉伸设备对三种黏附结构的力学性能进行了表征，如图3（b）所示。结果表明，核壳型黏附结构的等效弹性模量比软质黏附结构有所提高，约为1 MPa；显然，硬质材料嵌入的策略本质上降低了实际界面黏附层的厚度，因此相对于纯软质材料而言，增加了界面刚度。同时，与刚性黏附结构相比，它又能保持一定的柔顺性，易于接触。三种黏附结构在法向黏附测试中的力-时间曲线如图3（c）所示。与软质黏附结构和刚性黏附结构相比，核壳型黏附结构的最大黏附强度均得到了明显提高，这显然得益于接触适应性的优化和界面应力均分的改善。对于给定的接触面积，根据弹性固体间的黏附平衡理论，黏附力与材料的弹性模量成正比[52]。然而，弹性模量最高的刚性黏附材料并未表现出最大的黏附力，其黏附强度反而低于核壳型黏附材料。这可能是由于黏附结构的平面度误差以及角度观测方法（CCD）的局限性，导致实验中无法实现绝对的0°平行接触。为更清晰地说明不同黏附结构在平行接触状态下的黏附性能，本研究在-0.3°~0.3°的小角度范围内测试了黏附强度。结果表明，刚性结构在接近0°时黏附性能最高，但对角度变化极为敏感，即使0.1°的微小偏差也会导致黏附性能显著下降（附录A中的图S11）。不同预压力下黏附结构的法向黏附强度如图3（d）所示，核壳型黏附结构同样表现出最佳的黏附性能。与软黏附结构相比，黏附力提升超过3倍。这种增强效应不仅源于核壳构型的宏观设计，蘑菇状微结构通过优化界面应力分布、控制内部裂纹形核，也对黏附增强起到了关键作用[53‒54]（附录A中的图S12）。

图3（e）描述了0.5°条件下三种结构在黏附过程中的力-时间曲线。与平行接触情况下的实验结果相比，角度对准误差的存在严重削弱了软质黏附结构和刚性黏附结构的黏附性能。刚性黏附结构共形接触变得十分困难，刚性黏附结构分离阶段的黏附界面存在明显的剥离，无法达到理想的整体分离。反观核壳型黏附结构，既保证了良好的接触，又表现出整体分离趋势。为了揭示角度对准误差如何影响黏附结构的接触分离状态，通过CCD记录了接触线长度随时间的变化趋势，如图3（f）所示。随着加载过程的进行，刚性黏附结构的接触线首先到达饱和区。此时接触线的长度为9 mm，远远小于样品的宽度16 mm，说明黏附结构还未与目标表面实现完全接触。相反，软质黏附结构和核壳型黏附结构的饱和接触线长度均达到了16 mm，这意味着它们与目标表面实现了完全接触。值得注意的是，核壳型黏附结构与软质黏附结构的角度误差适应性无显著差异，这是因为两种结构在非平行接触下的压缩刚度基本相同（附录A中的图S13）。

图3（g）描述了不同预载荷下面向角度对准误差的黏附强度变化规律，核壳型黏附结构的最大黏附力相比其他两种结构可提升一个数量级以上。核壳型黏附结构的循环稳定性良好，经过150次重复加载-拉拔循环后，黏附力未发生明显衰减（附录A中的图S14）。这种优异的性能稳定性可能源于内部刚性层与软质材料之间良好的界面结合。此外，本文还测试了核壳结构在高温下的黏附性能，结果如附录A中的图S15所示。随着温度从室温升高至80 ℃，黏附结构的黏附性能保持稳定，未出现显著下降，表明其具备在高温环境下的应用潜力。除耐高温之外，核壳结构所用材料还因其优异的力学稳定性，被广泛应用于微流控系统，这些材料在液体环境中不会软化，且能抵抗常见化学试剂的腐蚀。实验结果还表明，核壳结构具有良好的耐水性，便于在各种复杂工业环境中广泛应用（附录A中的图S16）。

3.4 黏附结构设计优化

宏观核壳策略并非简单地将刚性薄片嵌入软质材料，而是需要进行多参数的匹配设计才能达到最优效果。刚性薄片的转动行为无疑受到多种因素的影响，如软壳与刚性内核的刚度匹配、刚性内核的几何位置及尺寸等。探究这些因素对转动角度的影响规律，将为黏附结构的进一步优化提供理论指导。因此，本文系统分析了不同设计参数对复合系统转动角度的影响（图4）。

由于弹性模量不同的刚性材料在相同厚度下，其等效弯曲刚度必然不同，这就意味着在加载和拉拔过程中，硬块在扭矩的作用下会发生不同程度的弯曲，这势必会影响界面应力分布。图4（a）描述了刚性材料的弹性模量对最大黏附力时刻错位角度的影响。模型中软质材料的弹性模量设置为1 MPa。当刚性材料的模量相对较低（小于10 MPa）时，刚性材料在达到最大黏附力时会因扭矩作用而发生弯曲，从而无法有效计算旋转角度。此时，接触界面边缘由于弯曲会发生较大的应力集中，不利于黏附。当硬材料模量相对较高（>100 MPa）时，较大的抗弯刚度限制了硬片的弯曲行为。此时，随着硬片模量的增加，旋转角度逐渐减小。基于此结果，进行了相应的实验验证：选择不同的材料（玻璃、PMMA、高模量PDMS）嵌入弹性体中，测试它们的法向黏附强度[图4（b）]。结果表明，嵌入弹性体的材料刚度越大，角度对准误差下表现出的黏附强度也越高（附录A中的图S17）。

本文利用有限元分析模型（FEA model）进一步分析了软壳力学性能对转动角度的影响，结果如图4（c）所示。本文用底层与顶层弹性模量的比值（E_bottom/E_top）表征软壳的力学性能。预加载阶段，软质材料的力学性能对转动角度无显著影响；而在拉伸阶段，E_bottom/E_top比值较大的材料，其转动角度会发生反向增大，这可能是因为底层材料对刚性薄片的扭矩作用大于顶层材料。最大黏附力时刻的转动角度直接决定了角度误差下的黏附强度，结果表明，E_bottom/E_top比值较小的材料黏附性能更优[图4（d）]。为验证模型结果，本文制备了不同比值的黏附结构并测试其最大黏附强度，实验数据与仿真预测结果高度吻合[图4（e）]。由于刚性薄片的隔离作用，无论底层弹性模量如何变化，黏附界面的应力分布主要取决于顶层材料的力学性能，与底层材料的弹性模量无关。由于这些性能无显著变化（附录A中的图S18），因此黏附性能基本保持稳定。

除了软壳的力学性能外，刚性薄片在弹性体内部的位置也是影响黏附强度的关键因素。本文用上、下软质材料的厚度比（h₂/h₁）描述刚性薄片的位置。当h₂/h₁=0时，该软质材料可被视为均质结构，此时转动角度与初始值（1°）相同，整体等效刚度最小[图4（f）]。当h₂/h₁>0（即刚性薄片嵌入弹性体）时，随着比值的增大，最大黏附力状态下的转动角度逐渐减小。这表明，较薄的顶层结合较厚的底层，有利于提升角度误差下的黏附性能。但考虑到顶层需要一定的柔顺性以保证与目标的微观接触，因此h₂/h₁不能无限增大。本研究制备了不同顶层薄膜厚度的黏附结构，通过测试平行接触（0°）和角度误差（0.5°）下的黏附强度，验证了仿真结果[图4（g）]。实验结果表明，减小顶层厚度可显著提升角度误差下的黏附性能，该规律同样适用于平行接触状态。在良好平行接触下，尽管刚性薄片的位置不会改变材料的整体刚度，但顶层厚度的减小仍能通过促进载荷均匀分布提升黏附性能（附录A中的图S19），这与Kim等[35]的研究结果一致。

核壳结构的典型特征是刚性内核被完全包裹在软壳内部，因此刚性薄片与软质弹性体之间不可避免地存在间隙（l）。研究发现，间隙l的变化也会显著影响黏附强度。具体而言，当刚性薄片的长度略小于弹性体长度时，黏附性能可进一步提升；但随着刚性薄片长度的继续减小，黏附性能反而下降，甚至呈现快速下降趋势[图4（h）]。这种现象与不同结构的界面应力分布密切相关，如图4（i）所示。当刚性薄片与弹性体之间存在微小间隙（l > 0）时，间隙区域的界面会出现局部应力集中，此时裂纹从内部而非边缘萌生并扩展，在一定程度上降低了界面整体的应力集中程度，从而有利于提升黏附。但当刚性薄片长度进一步减小时，界面再次出现大范围的严重应力集中，导致黏附强度再次下降。

3.5 技术应用前景

基于上述结构优化结果，核壳型黏附结构表现出极高的黏附性能，尤其是在角度误差下的优势更为显著。图5（a）展示了软质黏附结构和核壳型黏附结构在不同角度下的黏附强度对比。随着角度增大，软质黏附结构的黏附强度呈指数级下降，而核壳型黏附结构仍能保持较好的黏附性能。当角度达到5°时，软质黏附结构的黏附强度几乎降至零，而核壳型黏附结构的黏附强度仅较下降30%，两者相差近两个数量级。除静态角度误差的适应性外，承受不同角度动态拉拔的能力也是另一类重要的非平行接触黏附性能。本文将软质和核壳型黏附结构与玻璃探针初始完全接触，测试不同拉拔方向下的黏附力，结果如图5（b）所示。核壳型黏附结构在所有拉拔角度下均表现出显著优势，进一步验证了该结构的鲁棒性与稳定性。

得益于在角度误差下的优异黏附性能，核壳型黏附结构在物体操作领域具有巨大的应用潜力，尤其适用于具有斜面特征的复杂表面。与传统均质结构刚度调控策略不同，该核壳结构可同时实现接触过程中斜面特征的自适应贴合，以及拾取过程中对翻转力矩的有效抑制[图5（c）]。本文选取了大口径楔形透镜作为目标对象，将黏附样品固定在六自由度机械臂末端，成功完成了包含预加载、抓取、多方向旋转在内的完整操作流程[图5（d）、附录A中的视频S3]，成果验证了核壳型黏附结构在精密光学装配领域的应用能力（附录A中的图S20）。首先，机械臂逐渐靠近并接触楔形透镜[图5（d-i）]；由于刚性内核的被动转动特性，黏附结构可自适应贴合楔形透镜[图5（d-ii）]。同时，弹性体基底承担了大部分弹性变形，不会产生过大的界面应力而损伤精密光学元件。随后，机械臂反向移动，在一定角度下稳定抓取透镜[图5（d-iii）、（d-iv）]。在此过程中，楔形透镜的自身重力和拉拔角度会在黏附界面产生较大的倾覆力矩，但黏附结构有效抑制了剥离效应，保持了稳定的黏附状态。最后，机械臂向不同方向旋转以进一步增大黏附界面的倾覆力矩，黏附结构仍能维持稳定的抓取状态。这种兼具优异适应性和抗翻转能力的干黏附结构，在复杂光学元件、半导体晶圆等精密器件的无损装配领域具有广阔的应用前景。

4 结论

本文提出了一种用于提升非平行接触下黏附性能的核壳型黏附结构，该结构由顶部蘑菇状黏附末端（基于范德华力实现界面黏附）和底部核壳构型（用于调控界面应力）组成。与传统关注微结构设计的核壳型黏附结构不同，本研究聚焦于宏观背衬层的创新设计：通过在均质弹性体中嵌入刚性薄片，将软壳分为功能互补的上下两部分，顶层软层提供高黏附力，底层软层在接触过程中产生大变形以保证柔顺性。尤为关键的是，内部刚性层在接触过程中可发生被动转动，从而实现对宏观界面角度误差的自适应接触，并优化界面应力均匀分布。通过调节复合材料的尺寸、位置和刚度匹配，可灵活调控黏附性能。实验结果表明，该黏附结构在角度误差下的黏附强度较传统黏附结构可提升100倍。

该黏附结构优异的适应性和界面剥离抑制能力，使其能够应用于具有典型斜面特征的目标物体抓取操作。通过将其与六自由度机器人结合，实现了大口径楔形透镜等具有复杂几何形状的典型光学元件的灵活抓取，同时在不同旋转姿态下均能实现稳定黏附。该创新性设计策略可推广至各类纤维阵列黏附结构，拓宽了黏附材料的应用范围与操作能力，为工程应用中基于界面黏附的无损夹持器的研发提供了新思路。

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