在表面创建“皱纹”以改变属性

在表面制造“皱纹”以改变属性

2020/01/31

在表面制造“皱纹”以改变其属性 自由控制附着力、质感、光学性能等

AIST 是通过简单的推拉即可立即改变和恢复粘合性和光学特性的橡胶材料这种橡胶可以使用简单的制造工艺生产，并且由廉价的材料制成，预计将应用于多种领域，包括机器人手、体育用品和医疗设备。

“皱纹橡胶”，受力时会立即产生不均匀性

臭氧　橡胶制品在我们身边随处可见，但每个橡胶件往往都有固定的特性，比如“粘性”或“防滑”。因此，我们想知道是否可以制造出一种可以根据需求和感觉改变其特性的橡胶。我们希望赋予单一材料根据时间和情况改变其滑移性和附着力的能力。基本思想是在材料表面产生可逆的不规则性。第一个原型是粘附在硅橡胶表面的聚酰亚胺薄膜。

臭氧　过去已经开发出具有增强粘合力或耐久性的橡胶，但从未有一种橡胶的粘合力可以可逆地改变以适应应用。我们相信，具有这种可变特性的橡胶可以扩展我们对橡胶产品使用方式的思考方式。

　同样，我们还创造了一种表层带有编织尼龙织物的材料，通过在表面上产生凹凸来减少摩擦。

寺冈　这是因为，当橡胶受到一定的力压缩时，埋在里面的尼龙线的交叉部分会弹出到表面，减少了与所附着物体的接触面积，附着力一下子就下降了。我不需要选择使用的材料，所以我认为实际应用的障碍很低。

最近，我们还原型制作了一种橡胶板，该橡胶板在通用硅橡胶表层上结合了直径为 01 至 15 毫米的玻璃珠。如果你把这个橡胶片压在你想要提起的部分上，它就会牢牢地粘住，你就可以把它提起，但如果你稍微拉一下两端，你就可以很快地将它分开。这是因为当橡胶被拉伸时，橡胶的厚度会减小，而珠子会在表面上产生凹凸不平，从而减少表面积。如果停止拉动，它就会恢复正常。尽管这是一个简单的机制，但当我们在展会上宣布它时，我们收到了很多询问。

当皱纹形成时，纹理和光学特性会发生变化

臭氧　如果用指尖按压橡皮擦，它会收缩，但橡胶会吸收压力，因此按压时不会形成皱纹。然而，如果将比橡皮擦更硬、更薄的薄膜（例如聚合物包裹物）涂在橡皮擦表面并按压，就会出现皱纹。这些皱纹是由表面薄膜和基材橡胶之间的弹性差异引起的。

　我对材料表面形成的凹凸不平进行了近15年的研究，一直致力于阐明基材和表面薄膜材料之间的关系，以及薄膜厚度、皱纹周期和弹性之间的关系。因此，我们积累了关于在什么条件下形成什么类型​​的皱纹的知识，通过应用这些知识，我们现在能够在数百纳米到几毫米的范围内控制具有所需形状和周期的皱纹。

寺冈　2014年，我有机会和Ozono先生加入同一个小组，我们都参与到动态控制摩擦力的主题中。

臭氧　当你触摸木桌时，可以通过表面凹凸不平的纹理来判断它是木头制成的。然而，就桌子而言，不可能只在您希望其粗糙时才将纹理带出，而在其余时间保持光滑。我们研究的目的是创建一个可变表面，在需要时精确地产生粗糙度。

寺冈　材料表面的凹凸不平不仅影响其摩擦力和粘合性能，而且影响其质地和光学性能。例如，表面贴有薄薄的聚酰亚胺薄膜的透明硅橡胶，被设计成在按压时会产生数百微米量级的细小皱纹，同时光滑的表面变成粗糙的纹理，同时，你再也看不到以前透明的另一面。

臭氧　普通玻璃是透明的，但表面凹凸不平的磨砂玻璃就会变得不透明。这是相同的理论，但有趣的是，只需添加纹理即可赋予材质多种属性。此外，虽然磨砂玻璃永远不会恢复为透明玻璃，但我们制造的材料表面可以多次恢复到其原始状态。这是一个在其他地方找不到的很棒的功能。

　另外，当硅橡胶表面沉积纳米厚的金属薄膜时，用手按压橡胶时形成的皱纹会因结构而产生干涉色，而当您移开手时，它又恢复透明。这可以用作可变光栅构件来改变设计。通过控制材料表面的皱纹，可以实现多种效果。

期待在机械手、医疗福利领域的应用

臭氧　如果更多的人了解这项技术，我相信它很有可能诞生新的东西，它的应用领域也会大大拓展。

寺冈是的，实际上，我认为在很多情况下能够立即改变表面的特性会很有用。

臭氧　例如，机器人手。抓握物体时需要牢固的附着力，但释放时如果能快速脱落，则操作效率会更高。即使是运动器材上的握把，当紧握或弱握时，摩擦特性也会发生变化，如果能够区分握力和平滑地拉开，就可以制造出不需要太多握力的高尔夫球杆和网球拍，可以扩大球员的年龄范围，并可以开发新的挥杆动作。

寺冈　首先，有必要展示一下实施的图像，因此我们目前正在制作一种褶皱橡胶压缩模块，该模块可以使橡胶产生电变形，目的是将压缩时粘合力减弱的橡胶片应用到机器人手上。将涂有聚酰亚胺薄膜的皱纹橡胶设置在支架中，当用推杆按压时，橡胶表面会产生凸面，从而可以快速释放物体。

　然而，与人类用手推动橡胶的力相比，小型致动器的力较小，因此这里我们使用了比最初开发的橡胶更软的橡胶。问题是，如果橡胶很软，从橡胶表面渗出的油就无法将必要的薄膜粘合到橡胶表面。为了克服这个问题，我们目前正在努力改进材料选择和压缩机制。

臭氧机器人手通过张开和合拢手来执行抓取/释放动作，但如果可以用电动开/关皱纹来代替，抓取机构可以做得更小、更简单。

寺冈　除了机器人控制系统和体育用品之外，我认为它还可以应用于益智玩具，例如用于承载行李和积木的传送带。

此外，我认为它还可以用于医疗和福利机构。前几天，我对胃进行了钡剂测试，该测试要求你将头倒在床上并转动身体。这不是很痛苦吗？如果床的表面是柔性材料，当床倒置时有很强的附着力，当床自行旋转时很容易滑动，对于受试者来说会容易得多。如果护理床单有这样的功能的话，我想换位置的时候会方便很多。

臭氧　理论上是可以加大尺寸的，因此也可以适用于这种大尺寸的橡胶板。

我想尝试激活材料接触面的新领域

寺冈　2018年，我转到人类信息研究部，开始从实际使用橡胶板的人的角度进行研究，但我被经常使用与以前的材料研究不同的指标进行评估这一事实刺激了我。比如，以前评价材料时，我们看的是硬度、柔软度、强弱等属性，但现在要求我们从情感方面来评价，比如“感觉好不好？”，这很耳目一新。当我从这个角度看待这项研究时，我开始认为改变其质地的橡胶可以以更广泛的方式应用。

　此外，我们接触到了与我们合作的行业不同的公司，我们有更多的机会看到将皱纹橡胶用于不同目的的人们。我在这些应用提案中感受到了我没有预料到的潜力，我希望这将导致未来的各种应用。

臭氧　我们积累了有关如何通过组合材料产生皱纹的知识。如果您希望将其用于此类目的，我们可以建议适合您需求的材料组合和薄膜厚度。我们希望各公司能够来体验我们创造的各种成果，并聆听他们的应用想法。

　除了改变摩擦力的橡胶之外，我们还可以满足诸如可以在透明和不透明之间切换的橡胶、在光滑表面和凹槽表面之间切换、仅当您想在表面保留液体时才创建凹槽等需求，并且我们还可以调查涂装过程中皱纹的原因。如果物体表面出现问题，我们一定能够提供帮助，因此请随时与我们联系。

寺冈　这项研究的关键点是“激活接触面”，因此它最终可能适用于改变智能手机和可穿戴设备的感觉。为什么不尝试以与以前不同的方式使用这项技术呢？