通过表面活性剂辅助的等离子体活化技术，实现丙烯酸压敏胶与硅弹性体的粘合，应用于軟體機器人领域

《Advanced Materials Interfaces》：Bonding of Acrylic Pressure-Sensitive Adhesives and Silicone Elastomers via Surfactant-Assisted Plasma Activation for Soft Robotics

　　**摘要**

丙烯酸压敏胶（PSAs）和硅橡胶弹性体广泛应用于软体机器人领域；然而，由于这两种材料性质不同，在没有底漆或刚性中间层的情况下实现牢固的粘合仍然具有挑战性，因为这些中间层会损害材料的柔韧性。由于这些材料具有互补的机械性能和功能特性，可靠的集成对于扩展软体机器人的设计自由度至关重要。本文介绍了一种简单的粘合方法，该方法通过结合氧等离子体对PSA的活化处理和固化过程中表面活性剂辅助的未固化硅橡胶界面活化处理，消除了底漆和刚性中间层的需求。这种方法能够在保持材料柔韧性的同时实现牢固的粘合。所得界面的粘附强度达到0.4 N/mm，约为对照组的大约五倍；通过优化表面活性剂浓度和等离子体处理条件，粘附强度可进一步提高至0.5 N/mm。进一步优化固化条件后，粘附强度可达到1.61 N/mm，相比对照组提高了约二十倍。即使在室温储存或水浸泡条件下72小时后，粘合界面的粘附强度也能保持90%以上。机械表征结果显示，PSA和硅橡胶弹性体的内在柔韧性得到了很好的保留。该方法通过一种电驱动的水母机器人的应用得到了验证，该机器人能够在水中以2.5 mm/s的速度游动。

**1 引言**

软体机器人使用柔顺材料，使机器人能够适应复杂物体和环境，与人类进行安全的物理互动，并对外部冲击具有抵御能力[1, 2]。凭借这些特性，软体机器人在从工业搬运和操作到自然环境中的移动系统，以及医疗保健和辅助支持的可穿戴技术等多种应用中展现出巨大潜力[3]。在软体机器人中，丙烯酸压敏胶（如VHB 4905[4]，以下简称VHB）和硅橡胶弹性体（如Ecoflex 00-30[5]，以下简称Ecoflex）被广泛用作关键材料[6-10]。它们的受欢迎程度源于其内在的柔韧性，这符合软体机器人的需求，同时也具有其他多种有益的材料特性。具体而言，VHB具有高相对介电常数、介电击穿强度和延展性，同时还具有天然的粘性和优异的加工性能[11, 12]。作为一种商用材料，VHB有多种厚度可供选择。此外，其高延展性允许通过预拉伸来调整厚度，从而为软体机器人架构提供了极大的设计灵活性[13]。VHB的低弹性模量和显著的粘弹性使其能够紧密贴合细腻的表面凹凸和曲面几何形状，减少了界面空隙，增加了实际接触面积，从而即使在弯曲或动态运动的部件上也能保持牢固的粘合[14, 15]。因此，VHB不仅作为一种介电材料发挥作用，还作为软体机器人中的机械坚固结构元素[16]。由于这些电学和机械特性的结合，VHB已在静电和流体驱动的执行器[17-19]、传感器[17, 20, 21]、发电机[22, 23]、夹具[24]和移动机器人[25-28]中得到广泛应用。因此，VHB已成为支持软体机器人系统中功能和结构集成的核心平台材料。同时，硅橡胶弹性体Ecoflex也表现出非常适合用于软体机器人的材料特性和加工性能。具体来说，Ecoflex具有低弹性模量和较大的断裂伸长率[6, 7, 29]，使其能够承受显著的变形，并可作为膜或结构组件使用。Ecoflex的机械性能变化较小[7]，即使在重复变形的情况下也能保持稳定的设备性能。在加工方面，它易于处理，通常只需混合两种液态组分，然后在室温下固化[6, 30]。需要时可以加热以加速固化并缩短整体生产时间。由于Ecoflex在固化过程中收缩最小且几乎不产生副产品，它具有很高的尺寸稳定性，并兼容多种加工方法，如模具铸造、分配、印刷和旋涂[29]。这些特性使得Ecoflex可以用于形成薄膜、批量组件和复杂的3D几何形状。基于这些特点，Ecoflex已被广泛用于软体机器人，包括流体驱动的执行器[31]、静电执行器[32]、传感器[33-35]、抓取装置[36-39]、移动机器人[31, 40, 41]和可穿戴设备[42, 43]。从上述讨论中可以清楚地看出，VHB和Ecoflex都是多功能平台材料。因此，整合这两种材料可以扩大软体机器人组件和系统的范围和设计空间，从而进一步提升软体机器人的发展。事实上，先前的研究已经证明了将VHB和Ecoflex结合在软体执行器、传感器和机器人系统中的有效性。在这样的配置中，VHB通常作为主动或被动层，而Ecoflex提供3D或高度可变形的结构，这两种材料通常通过封装、机械约束或粘合剂粘合来集成[44-47]。然而，Ecoflex的表面能极低且化学性质惰性，这使得粘合变得困难[48-51]。因此，即使与具有天然粘性的VHB层压在一起，也难以获得足够的粘合强度[52]。结果是，简单层压这两种材料得到的有效粘附力很小，且在外部小载荷下容易发生界面分层。因此，为了实现实际的粘合强度，仔细的界面设计是不可或缺的。将硅橡胶弹性体与其他材料粘合的方法可以大致分为直接法和间接法。直接粘合通常依赖氧等离子体或相关处理来氧化表面，这会暂时增加表面能并改善润湿性以促进紧密接触[53-55]。然而，这种效果是短暂的，并且对处理后的储存时间和环境条件非常敏感[53, 54]。因此，通常会添加硅烷偶联剂（例如(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷；APTES）等底漆以确保足够的粘合强度[52, 56, 57]，但这需要额外的加工步骤并涉及溶剂相关的风险。相比之下，间接粘合使用粘合剂等中间层，使这一过程相对简单易行。然而，中间层通常比硅橡胶弹性体更硬，可能会降低整体柔韧性并限制设计自由度[35, 58, 59]。此外，材料的选择可能受到需要选择与硅基材化学兼容的粘合剂的限制[60-62]。目前尚未完全建立一种在不损害柔韧性的情况下实现VHB和Ecoflex之间牢固粘合的简单方法。如上所述，通常使用氧等离子体或相关处理对表面进行极化，以增加表面能并促进亲水化，从而提高PSA（如VHB）的初始粘附力[63-65]。在硅橡胶弹性体方面，先前的微流控研究表明，通过微量添加非离子表面活性剂（如Triton X-100）可以活化表面，使亲水性聚环氧乙烷链在界面富集和暴露，从而增加表面能的极性组分[66-70]。这些发现表明，在PSA侧进行表面极化并在硅橡胶弹性体侧引入极性组分，可以减少这两种材料之间的界面能不匹配，从而在不使用底漆或刚性中间层的情况下实现更强的粘合。此外，当未固化的硅橡胶弹性体在交联和固化过程中与PSA接触时，其在未固化状态下的高柔顺性使其能够填充任何微尺度的表面凹凸，固化后形成紧密的机械互锁界面。因此，本研究提出了一种粘合策略：将含有表面活性剂的未固化Ecoflex与氧等离子体处理的VHB接触后原位固化。关键概念是通过氧等离子体处理使VHB表面极化，以增加表面能的极性组分，同时在Ecoflex中引入表面活性剂，使其亲水段在固化过程中在界面富集。这种组合减轻了这两种材料之间的界面能不匹配，并同时促进了微尺度的机械互锁。通过T剥离测试定量测量粘附强度，并通过应力-应变测试评估柔韧性保持情况来验证该方法的有效性。通过系统地改变氧等离子体条件和表面活性剂浓度进一步探索参数空间，并通过将其扩展到相关材料来检验该方法的可重现性。最后，将所提出的方法应用于水母机器人中，以证明其在软体机器人系统中的适用性。

**2 结果与讨论**

**2.1 所提出粘合方法的原理**

如图1a所示，所提出的方法包括通过氧等离子体处理对VHB表面进行极化，并将表面活性剂Triton X-100掺入未固化的Ecoflex中。随后将处理过的材料接触并固化，以实现交联和粘合。在此过程中，氧等离子体处理引起VHB的表面氧化，引入含有氧的极性官能团，包括羟基（─OH）、羰基（C═O）和羧基（─COOH）。因此，表面能的极性组分增加，从而提高了对极性材料的润湿性，这一点通过接触角测量得到了证实（图S1）。通过这种化学改性，预期VHB表面将更有利于形成极性分子间相互作用。

**2.2 粘附性能评估**

在本节中，通过T剥离测试进一步评估了所提出方法的有效性，测试对象包括：(i)未经处理的VHB与未经处理的Ecoflex粘合的样品（“对照组”），(ii)含有0.1 wt.%表面活性剂的Ecoflex与未经处理的VHB粘合的样品，(iii)含有0.1 wt.%表面活性剂的Ecoflex与氧等离子体处理的VHB粘合的样品，以及(iv)含有0.1 wt.%表面活性剂的Ecoflex与氧等离子体处理的VHB（联合处理）粘合的样品。涉及联合处理的样品制备过程如图2a所示。需要注意的是，在样品的外表面粘贴了聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜和光面纸作为不可拉伸的背衬材料，以抑制VHB和Ecoflex在剥离测试过程中的延伸，从而将它们对测得的粘附值的影响降到最低。选择PET薄膜是因为它被广泛用作硅橡胶叶片浇铸的基底材料，并且能够很好地粘附在VHB上，使得在样品制备过程中能够稳定地操作。光面纸被选为不可拉伸的背衬材料，因为它可以通过简单的接触轻松与Ecoflex结合[71]，这有助于样品的制备，并确保在剥离测试过程中保持一致的抓握力。剥离测试的设置本身在图2b中以示意图形式展示，在图2c中以照片形式展示。四个样品的负载-行程曲线分别提供在图S2中。

对VHB进行氧等离子体处理以及向Ecoflex中添加表面活性剂对VHB-Ecoflex界面粘附强度的影响。(a) 全部处理后的T型剥离样品的制造过程示意图：(i) VHB的氧等离子体处理；(ii) 将VHB层压在不可拉伸的PET薄膜上；(iii) 将未固化的含有表面活性剂的Ecoflex浇铸在支撑VHB层的薄膜上；(iv) 在80°C下固化超过12小时，以建立VHB和Ecoflex之间的粘结界面；(v) 将不可拉伸的薄膜（光面纸）层压在Ecoflex表面；(vi) 通过激光切割获得剥离测试样品。(b) T型剥离测试程序的示意图和(c) 照片。(d) (i) 未经处理的VHB与未经处理的Ecoflex结合的粘附强度；(ii) 添加了0.1 wt.%表面活性剂的Ecoflex与未经处理的VHB结合的粘附强度；(iii) 经过氧等离子体处理的VHB与未经处理的Ecoflex结合的粘附强度；(iv) 添加了0.1 wt.%表面活性剂的Ecoflex与经过氧等离子体处理的VHB结合的粘附强度的比较。基于这些结果，通过计算60–120毫米行程范围内的剥离力（浅蓝色阴影区域，图S2）并除以样品宽度，得到了各种样品的剥离强度。图2中的结果在图查看器或PowerPoint中可打开。

2.3 参数依赖性和适用性

使用所提出的方法评估影响VHB和Ecoflex之间粘附强度的因素对于理解其适用性至关重要。因此，本节通过剥离测试来研究表面活性剂含量、氧等离子体处理参数、温度、时间流逝和水浸泡对粘附强度的影响。此外，还研究了所提出方法对其他材料组合（不仅仅是VHB-Ecoflex）的适用性。图3a展示了改变Ecoflex中表面活性剂含量的效果，而用于获得粘附强度值的各个负载-行程曲线则提供在图S3中。因此，在图3a中，当表面活性剂含量为0.1 wt.% Triton X-100时，剥离强度达到最大值0.45 N/mm；在较低浓度（0.05 wt.%）时，由于Ecoflex的表面活化不足，改进效果有限。同时，在较高浓度下，未固化的Ecoflex在样品制备过程中的流动性会降低。这表明，在较高的表面活性剂负载下，Ecoflex的适应性降低可能会削弱其与VHB表面微小凹凸结构的机械互锁效果。这些结果表明，选择一个既能平衡表面活化又能保证未固化状态下适应性的表面活性剂浓度是非常重要的。基于这些结果，所有后续实验中都采用了0.1 wt.%的表面活性剂浓度。

2.3 参数依赖性和适用性

使用所提出的方法评估影响VHB和Ecoflex之间粘附强度的因素对于理解其适用性至关重要。因此，本节通过剥离测试来研究表面活性剂含量、氧等离子体处理参数、温度、时间流逝和水浸泡对粘附强度的影响。此外，还研究了所提出方法对其他材料组合（不仅仅是VHB-Ecoflex）的适用性。图3a展示了改变Ecoflex中表面活性剂含量的效果，而用于获得粘附强度值的各个负载-行程曲线提供在图S3中。因此，在图3a中，当表面活性剂含量为0.1 wt.% Triton X-100时，剥离强度达到最大值0.45 N/mm；在较低浓度（0.05 wt.%）时，由于Ecoflex的表面活化不足，改进效果有限。同时，在较高浓度下，未固化的Ecoflex在样品制备过程中的流动性会降低。这表明，在较高的表面活性剂负载下，Ecoflex的适应性降低可能会削弱其与VHB表面微小凹凸结构的机械互锁效果。这些结果表明，选择一个能在未固化状态下平衡表面活化性和适应性的表面活性剂浓度是非常重要的。基于这些结果，所有后续实验中都采用了0.1 wt.%的表面活性剂浓度。

2.3 参数依赖性与适用性

使用所提出的方法评估影响VHB和Ecoflex之间粘附强度的因素对于理解其适用性至关重要。因此，本节通过剥离测试来研究表面活性剂含量、氧等离子体处理参数、温度、时间流逝和水浸泡对粘附强度的影响。此外，还研究了所提出方法对其他材料组合（不仅仅是VHB-Ecoflex）的适用性。图3a展示了改变Ecoflex中表面活性剂含量的效果，而用于获得粘附强度值的各个负载-行程曲线提供在图S3中。因此，在图3a中，当表面活性剂含量为0.1 wt.% Triton X-100时，剥离强度达到最大值0.45 N/mm；在较低浓度（0.05 wt.%）时，由于Ecoflex的表面活化不足，改进效果有限。同时，在较高浓度下，未固化的Ecoflex在样品制备过程中的流动性会降低。这表明，在较高的表面活性剂负载下，Ecoflex的适应性降低可能会削弱其与VHB表面微小凹凸结构的机械互锁效果。这些结果表明，选择一个能在未固化状态下平衡表面活化性和适应性的表面活性剂浓度是非常重要的。基于这些结果，所有后续实验中都采用了0.1 wt.%的表面活性剂浓度。

2.3 参数依赖性与适用性

使用所提出的方法评估影响VHB和Ecoflex之间粘附强度的因素对于理解其适用性至关重要。因此，本节通过剥离测试来研究表面活性剂含量、氧等离子体处理参数、温度、时间流逝和水浸泡对粘附强度的影响。此外，还研究了所提出方法对其他材料组合（不仅仅是VHB-Ecoflex）的适用性。图3a展示了改变Ecoflex中表面活性剂含量的效果，而用于获得粘附强度值的各个负载-行程曲线提供在图S3中。因此，在图3a中，当表面活性剂含量为0.1 wt.% Triton X-100时，剥离强度达到最大值0.45 N/mm；在较低浓度（0.05 wt.%）时，由于Ecoflex的表面活化不足，改进效果有限。同时，在较高浓度下，未固化的Ecoflex在样品制备过程中的流动性会降低。这表明，在较高的表面活性剂负载下，Ecoflex的适应性降低可能会削弱其与VHB表面微小凹凸结构的机械互锁效果。这些结果表明，选择一个能在未固化状态下平衡表面活化性和适应性的表面活性剂浓度是非常重要的。基于这些结果，所有后续实验中都采用了0.1 wt.%的表面活性剂浓度。

2.3 参数依赖性与适用性

使用所提出的方法评估影响VHB和Ecoflex之间粘附强度的因素对于理解其适用性至关重要。因此，本节通过剥离测试来研究表面活性剂含量、氧等离子体处理参数、温度、时间流逝和水浸泡对粘附强度的影响。此外，还研究了所提出方法对其他材料组合（不仅仅是VHB-Ecoflex）的适用性。图3a展示了改变Ecoflex中表面活性剂含量的效果，而用于获得粘附强度值的各个负载-行程曲线提供在图S3中。因此，在图3a中，当表面活性剂含量为0.1 wt.% Triton X-100时，剥离强度达到最大值0.45 N/mm；在较低浓度（0.05 wt.%）时，由于Ecoflex的表面活化不足，改进效果有限。同时，在较高浓度下，未固化的Ecoflex在样品制备过程中的流动性会降低。这表明，在较高的表面活性剂负载下，Ecoflex的适应性降低可能会削弱其与VHB表面微小凹凸结构的机械互锁效果。这些结果表明，选择一个能在未固化状态下平衡表面活化性和适应性的表面活性剂浓度是非常重要的。基于这些结果，所有后续实验中都采用了0.1 wt.%的表面活性剂浓度。

2.3 参数依赖性与适用性

使用所提出的方法评估影响VHB和Ecoflex之间粘附强度的因素对于理解其适用性至关重要。因此，本节通过剥离测试来研究表面活性剂含量、氧等离子体处理参数、温度、时间流逝和水浸泡对粘附强度的影响。此外，还研究了所提出方法对其他材料组合（不仅仅是VHB-Ecoflex）的适用性。图3a展示了改变Ecoflex中表面活性剂含量的效果，而用于获得粘附强度值的各个负载-行程曲线提供在图S3中。因此，在图3a中，当表面活性剂含量为0.1 wt.% Triton X-100时，剥离强度达到最大值0.45 N/mm；在较低浓度（0.05 wt.%）时，由于Ecoflex的表面活化不足，改进效果有限。同时，在较高浓度下，未固化的Ecoflex在样品制备过程中的流动性会降低。这表明，在较高的表面活性剂负载下，Ecoflex的适应性降低可能会导致其与VHB表面微小凹凸结构的机械互锁效果减弱。这些结果表明，在未固化状态下选择合适的表面活性剂浓度以平衡表面活化性和适应性非常重要。基于这些结果，所有后续实验中都采用了0.1 wt.%的表面活性剂浓度。

2.3 参数依赖性与适用性

使用所提出的方法评估影响VHB和Ecoflex之间粘附强度的因素对于理解其适用性至关重要。因此，本节通过剥离测试来研究表面活性剂含量、氧等离子体处理参数、温度、时间流逝和水浸泡对粘附强度的影响。此外，还研究了所提出方法对其他材料组合（不仅仅是VHB-Ecoflex）的适用性。图3a揭示了（a）表面活性剂浓度，（b）氧等离子体处理参数（功率和持续时间），（c）固化条件（时间和温度），（d）温度，（e）存储时间，以及（f）水浸泡对粘附强度的影响。（g）表面活性剂添加和等离子体处理相结合对其他材料组合粘附强度的影响。在经过处理的样品中，表面活性剂（Triton X-100）被添加到Ecoflex或Dragon Skin中，而等离子体处理则应用于VHB或F9460PC。图3b比较了不同氧等离子体处理持续时间和功率对VHB粘附强度的影响，相应的原始数据提供在图S3中。因此，在15秒的处理时间内，粘附强度对功率水平的依赖性较小（浅粉色条形图，图3b），这表明该持续时间不足以引起足够的表面极化。然而，在30秒的处理时间内（深粉色），样品在75%的等离子体功率下显示出最大的粘附强度0.50 N/mm。相反，更长的处理时间（45秒、60秒和90秒）导致了较低的粘附强度，这可能是由于VHB的粘性降低和表面硬化所致。这些观察结果表明，存在一个最佳的功率和处理时间组合。因此，在所有后续实验中都采用了75%的功率和30秒的处理时间。图3c展示了固化温度和固化时间的影响，相应的原始数据提供在图S3中。无论固化温度如何，粘附强度都随固化时间的增加而增加，并在大约2小时后达到平台期。例如，在40°C下，粘附强度从0.49 N/mm在0.5小时增加到1小时时达到0.75 N/mm，然后在2小时时达到1.54 N/mm，在4小时和12小时时也保持相似的高值（分别为1.48 N/mm和1.61 N/mm）。这一趋势表明，在较短的固化时间内，Ecoflex尚未完全固化，界面结构尚未充分建立。在最初的2小时内，未固化的Ecoflex更有效地适应VHB表面的细微凹凸结构，从而增加了真实的接触面积。同时，Ecoflex中的表面活性剂分子重新排列成具有较低界面能的配置。这些过程促进了界面接触和微观机械互锁。超过这个时间尺度后，界面过程基本饱和，进一步的固化主要完成了Ecoflex的交联，对粘附强度的影响很小。在调查的固化温度（40°C、60°C和80°C）中，40°C下的固化产生了最高的粘附强度。这表明40°C提供了最大的时间窗口，用于实现适应性的接触和表面活性剂的重新排列，然后再受到凝胶化的限制。在40°C下，固化时间为2小时或更长时间时，保持了高的粘附强度，范围从1.48 N/mm到1.61 N/mm。在60°C下，界面失效在0.5小时发生；然而，在1小时或更长的固化时间后，失效模式转变为内聚失效，粘附强度达到1.10 N/mm，但仍低于40°C下的值。相比之下，在80°C下，即使固化时间延长，粘附强度也稳定在约0.50 N/mm。这些结果表明，在较高温度下，Ecoflex固化过快，无法实现足够的适应性和表面活性剂的重新排列，导致界面质量较差，粘附强度降低。此外，在18°C下固化12小时后，粘附强度为0.60 N/mm，并伴有内聚失效。这表明即使在常温条件下也能形成坚固的界面。然而，这种粘附强度仍然低于在40°C下12小时时获得的粘附强度。这种观察结果可能是由于在18°C下Ecoflex固化较慢，导致12小时后的固化程度和交联密度较低。此外，未固化Ecoflex在较低温度下的较高粘度降低了其流动性及适应性，可能抑制了其对VHB表面的润湿作用，限制了对细微凹凸结构的填充。因此，虽然发生了内聚失效，但真实的接触面积增加较少。图3d揭示了剥离测试过程中温度的影响，其中粘附强度随温度的升高而降低。具体来说，粘附强度从25°C的0.49 N/mm分别在50°C、100°C和150°C时降至0.26 N/mm、0.22 N/mm和0.18 N/mm，减少了33%、44%和55%。这种粘附强度的降低可能是由于VHB在较高温度下软化，可能促进了粘结界面的剥离。用于计算不同温度下粘附强度的原始数据提供在图S3中。图3e揭示了在室温下存储时间的影响，其中粘附强度在存储过程中基本保持不变，24小时、48小时和72小时后的粘附强度分别为0.50 N/mm、0.50 N/mm和0.46 N/mm，与初始值0.51 N/mm相比。用于获得这些结果的原始数据提供在图S3中。这些结果表明，所提出的粘结方法随时间的降解很小。图3f展示了在室温下水浸泡长达72小时的效果，其中24小时、48小时和72小时后的粘附强度分别为0.42 N/mm、0.41 N/mm和0.39 N/mm，与初始值0.41 N/mm相比，表明初始粘附强度基本保持不变。这些结果表明，水侵入或界面化学反应导致的降解有限。用于获得这些结果的原始数据提供在图S3中。这些发现表明，所提出的粘结方法适用于水下和潮湿环境。为了检验所提出粘结方法的适用性，图3g比较了以下四种材料组合的粘附强度：VHB-Ecoflex、VHB-Dragon Skin 30 [72]（以下简称Dragon Skin]、F9460PC [-Ecoflex]和F9460PC-Dragon Skin。在这些测量中，PSA面使用了VHB或F9460PC，而硅胶弹性体面使用了Ecoflex或Dragon Skin。对于经过处理的样品，表面活性剂（Triton X-100）被添加到Ecoflex或Dragon Skin中，而等离子体处理应用于VHB或F9460PC。结果表明，VHB-Ecoflex组合的粘附强度提高了约4.8倍（从未经处理的0.07 N/mm提高到经过处理的0.34 N/mm），而VHB-Dragon Skin组合的粘附强度提高了约2.4倍（从0.18 N/mm提高到0.44 N/mm）。同时，F9460PC-Ecoflex组合的粘附强度提高了约2.7倍（从0.15 N/mm提高到0.41 N/mm），F9460PC-Dragon Skin组合的粘附强度提高了约2.3倍（从0.28 N/mm提高到0.63 N/mm）。用于获得这些结果的原始数据提供在图S3中。所有材料组合都观察到粘附强度的提升，表明所提出的处理方法可能广泛适用于粘结PSA和硅胶弹性体。根据上述结果，优化的处理参数确定为75%的氧等离子体功率，处理时间为30秒，氧分压为0.2 mbar，表面活性剂浓度为0.1 wt.%，加入Ecoflex中。

2.4 力学性能

本节使用单轴拉伸测试来研究所提出的粘结方法对粘接材料力学性能的影响。首先，图4a展示了未添加和添加了0.1 wt.%表面活性剂的Ecoflex样品的应力-应变曲线。这些曲线的相似性表明，添加表面活性剂后材料的柔韧性基本保持不变。这归因于表面活性剂的添加量较低，仅对材料的力学性能产生了轻微影响。接下来，图4b揭示了氧等离子体处理对VHB力学性能的影响。在这里，经过等离子体处理的VHB表现出与未处理样品几乎相同的应力-应变行为，在拉伸强度或断裂点的伸长率方面没有明显变化。这些结果表明，氧等离子体处理仅作用于VHB表面，对其整体机械性能几乎没有影响。图4（在图形查看器中打开）PowerPoint

通过单轴拉伸试验进行机械表征。(a) 添加和未添加表面活性剂的Ecoflex的机械响应。(b) 经过氧等离子体处理的和未经氧等离子体处理的VHB的机械响应。(c) 经过氧等离子体处理和同时添加表面活性剂的VHB-Ecoflex组件的机械响应。同时，在图4c中评估了未经处理和经过处理的Ecoflex-VHB样品的机械性能。在这里，两种样品显示出相似的应力-应变曲线，这表明所提出的方法可以提高界面粘附性而不损害机械性能。综合这些结果，可以确认所提出的方法能够在保持两种材料固有柔性的同时，在Ecoflex-VHB界面实现高粘附强度。

2.5 实用演示：水母机器人

为了展示所提出的粘合方法在软体机器人技术中的适用性，使用VHB和Ecoflex制造了一个水母机器人（图5）。该机器人基于介电弹性体执行器（DEA）的原理工作，这是一种电驱动的软体执行器[74-77]。DEA由夹在柔顺电极之间的介电层组成；当在电极上施加电压时，会产生静电吸引力，从而导致膜层厚度减小和平面方向上的膨胀。水母机器人的顶部和底部各安装了一个DEA。其中，电极层作为高压侧，VHB作为介电层，周围的水作为接地电极。当下部的DEA被激活时，钟形Ecoflex层会向开放方向变形（放松）；而当上部的DEA被激活时，钟形层则向闭合方向变形（收缩）。通过交替激活上下部的DEA，可以产生类似水母的游动动作（图6a）。如图6b所示，在施加4 kV电压的情况下，尖端的角位移在放松方向达到最大值12.0°，在收缩方向达到最大值9.6°。因此，水母机器人可以产生最大21.6°的角位移。图5（在图形查看器中打开）PowerPoint

水母机器人的制造过程和结构。(a) 示意图展示了顺序制造过程：(i) VHB在平面方向上进行预拉伸并固定在亚克力框架上；(ii) 将导电亚克力弹性体（电极层，ARcare 90366，Adhesives Research）和薄亚克力介电弹性体（F9460PC，3M）层压在VHB表面；(iii) 组件经过氧等离子体处理；(iv) 然后将含表面活性剂的Ecoflex放置在经过等离子体处理的VHB上；(v) 使用两个这样的组件夹住预先成型的钟形Ecoflex层；(vi) 将结构在80°C下固化超过12小时，以在机器人周围形成VHB-Ecoflex-VHB层压结构；(vii) 从亚克力框架中切割出固化后的结构以获得水母机器人的主体；(ix) 然后将两根铜线穿过机器人的中心区域，并与上下电极层电连接；(x) 最后，在VHB中的导线穿孔处涂上粘合剂以实现电气绝缘。在这些制造条件下，粘合剂界面符合图3b中显示的最佳条件（0.1 wt.%，75%等离子体功率，30秒），提供了大约0.50 N/mm的粘附强度，这代表了接口在机器人周围能够承受的最大载荷。图6（在图形查看器中打开）PowerPoint

(a) 机器人的工作原理：DEAs位于顶部和底部；驱动下部的DEA使钟形Ecoflex层放松，而驱动上部的DEA使其收缩。(b) 尖端的测量角位移随施加电压的变化显示最大位移角为21.6°。(c) 水下游泳实验的装置示意图。(d) 显示机器人水下游泳运动的复合照片。(e,f) 在1.5 Hz驱动频率下，代表的输入电压波形(e)以及相应的位置和速度时间序列(f)。(g) 在施加4 kV电压时，测量到的游泳速度随驱动频率的变化。制造出机器人后，进行了水下游泳实验，在此实验中，机器人通过支撑杆固定在一个浮子上（图6c）。这种设置允许稳定的水下游泳，如图6d（视频S2）所证实的。为了高效产生推力，通过使用设计的输入电压波形来适当地控制放松和收缩时间，以实现缓慢放松后迅速收缩的效果。例如，图6e显示了在1.5 Hz驱动频率下使用的波形，而图6f显示了相应的位置和速度时间序列，从而展示了每个周期内大约4 mm/s的最大和最小速度的周期性加速和减速。在0.5至2.5 Hz的驱动频率范围内使用的输入电压波形显示在图S4中。如图6g所示，当驱动频率从0.5 Hz扫描到2.5 Hz时，平均游泳速度在1.5 Hz时达到最大值2.5 mm/s。这个峰值速度表明结构中存在共振模式，而在较高频率下速度的降低可能归因于VHB的粘弹性响应延迟。这些结果验证了所提出的粘合方法在软体机器人系统中的有效性。

3 结论

在本文中，提出了一种简单的粘合方法，该方法将含有表面活性剂（Triton X-100）的未固化硅胶弹性体（Ecoflex）与经过氧等离子体处理的粘合剂（VHB 4905）接触后进行固化。这一过程提高了粘附强度，同时保持了VHB-Ecoflex界面的固有柔韧性。通过添加0.1 wt.%的Triton X-100并结合等离子体处理，粘合样品的粘附强度达到了0.40 N/mm，相对于原始Ecoflex提高了大约五倍。进一步优化氧等离子体处理参数后，粘附强度增加到了0.50 N/mm。此外，粘附强度明显依赖于固化温度和固化时间，在40°C、12小时的条件下达到了1.61 N/mm，相对于原始Ecoflex提高了大约二十倍。尽管在高温条件下粘附强度有所下降，但在常温存储和水浸没条件下的保持性仍然良好，72小时后仍超过90%。此外，当该方法应用于其他PSA-硅胶弹性体组合时也实现了持续的增强，从而证明了该方法的通用性。对于经过氧等离子体处理的VHB和含有表面活性剂的Ecoflex，其应力-应变行为得到了很好的保持，从而确认了其固有的柔韧性。另外，通过堆叠和粘合VHB和Ecoflex，制造出了一个平均水下游泳速度为2.5 mm/s的水母机器人，验证了所提出的粘合方法在软体机器人应用中的有效性。总体而言，所提出的方法作为一种多用途的粘合协议，解决了丙烯酸压敏粘合剂（PSAs）与硅胶弹性体粘合性差的瓶颈问题，从而拓宽了材料选择范围，并扩展了软体机器人设计的可能性。

4 实验部分

4.1 材料

使用了VHB 4905（3M）和F9460PC（3M）作为丙烯酸压敏粘合剂（PSAs）。Ecoflex 00-30（Smooth-On）和Dragon Skin 30（Smooth-On）作为硅胶弹性体。Triton X-100（Kanto Kagaku）作为表面活性剂。对于水母机器人的电极，使用了ARcare 90366（Adhesives Research）作为柔性导电弹性体。所有材料均为商业购买。

4.2 VHB的等离子体处理

PSAs被激光切割成55 mm × 135 mm的尺寸（Speedy 300，Trotec），然后使用氧等离子体系统（ZEPTO，Diener Electronic）进行处理。处理过程中，氧气压力保持在0.2 mbar，功率在25%到100%之间调整，暴露时间从15秒变化到90秒。为了防止疏水性恢复，样品在等离子体处理后立即进入下一个步骤进行处理。

4.3 含表面活性剂的Ecoflex的制备

将Ecoflex部件A和B按1:1的重量比例混合，并加入0.05–0.5 wt.%的Triton X-100。为了确保混合均匀，混合物在行星式混合器（AR-100，THINKY）中处理210秒（转速：800 rpm，旋转速度：2000 rpm），随后进行60秒的脱气（转速：2000 rpm）。

4.4 T型剥离试样的制造

根据图2a所示的程序制造T型剥离试样。具体来说，将经过氧等离子体处理的VHB（图2a(i)）层压在PET片材（Melinex ST506，Tekra）（图2a(ii)）上并固定。然后使用薄膜涂布机（AB4220，TQC Sheen BV）和通用薄膜涂布机（ZUA 2000，Zehntner）以5 mm/s的喷涂速度将含有表面活性剂的Ecoflex喷涂到VHB上（图2a(iii)）。将制备好的组件放入烤箱（DY400，Yamato Scientific）中，在80°C下固化超过12小时，形成VHB-Ecoflex粘合界面（图2a(iv)）。粘合区域的总厚度为1.0 mm，由0.5 mm的VHB和0.5 mm的Ecoflex组成。固化后，在Ecoflex侧层压上光滑纸（NME0287-01，Epson）（图2a(v)），然后使用激光切割机（Speedy 300，Trotec）将组件切割成100 mm × 25 mm的尺寸的试样。对于使用F9460PC-Ecoflex和F9460PC-Dragon Skin 30组合的T型剥离试样，采用了类似的程序，详见图S5。

4.5 T型剥离试验程序和条件

使用通用测试机（AGS-20NX，Shimadzu）进行T型剥离试验。初始的抓握间距设为20 mm，试样在两端各固定25 mm。拉伸速度设置为100 mm/min。通过将稳态剥离区域内的平均载荷除以试样宽度25 mm来计算粘附强度。每种条件下测试五个试样，并报告平均值。所有测试都在22°C–27°C和30%–60%相对湿度的实验室环境中进行。评估了以下情况的粘附强度：(i) 原始Ecoflex与未经处理的VHB的粘合（“对照”），(ii) 添加了0.1 wt.%表面活性剂的Ecoflex与未经处理的VHB的粘合，(iii) 原始Ecoflex与经过氧等离子体处理的VHB的粘合（100%功率处理30秒），以及(iv) 添加了0.1 wt.%表面活性剂的Ecoflex与经过氧等离子体处理的VHB的粘合（联合处理）。此外，还研究了未固化Ecoflex中表面活性剂含量的变化效应，分别使用了0.05、0.1、0.2和0.5 wt.%的表面活性剂，同时将VHB的氧等离子体处理参数固定在75%功率和30秒。研究了在不同VHB氧等离子体处理参数下的效果，功率水平为25、50、75和100%，处理时间为15、30、45、60和90秒，共20种功率-时间组合。在这系列测试中，Ecoflex中的表面活性剂浓度固定为0.1 wt.%。使用15种固化时间（0.5、1、2、4和12小时）和固化温度（40°C、60°C和80°C）的组合，以及一个在18°C下固化12小时的额外条件，研究了固化时间和固化温度的效果。在18°C下固化时间少于12小时的样品未能固化，因此不适合进行粘附强度测量。在这系列测试中，VHB的氧等离子体处理条件固定为75%输出30秒，Ecoflex中的表面活性剂浓度固定为0.1 wt.%。通过使用热风枪（HG-02Y，Anesty）将粘合界面暴露在50°C、100°C和150°C的热空气中，同时利用热成像相机（FLIR C5）监测温度，研究了温度的影响。在施加高温条件后立即进行了T剥离测试。通过将样品在室温下储存24小时、48小时和72小时来研究储存时间的影响，并在每个时间点进行T剥离测试。通过将每个样品的粘合区域浸入去离子水（MonotaRO）中24小时、48小时和72小时来研究水分浸泡的影响，之后擦去表面水分并进行T剥离测试。为了测试所提出的方法在不同材料组合上的效果，选择了VHB和F9460PC作为压敏胶（PSA），而使用Ecoflex和Dragon Skin作为硅弹性体。为这四种组合各自制备了样品并测量了它们的粘附强度。由于F9460PC是一种薄膜压敏胶，不能像VHB那样处理，因此根据图S5中显示的程序单独准备了含有F9460PC的样品。在评估温度、储存时间、水分浸泡和材料组合的影响时，表面活性剂浓度固定为0.1 wt.%，氧气等离子体处理条件固定为75%功率和30秒。

4.6 拉伸试验样品的制作
为了进行机械性能表征，准备了未添加和添加了0.1 wt.% Triton X-100表面活性剂的Ecoflex配方。按照T剥离试验样品的详细说明，将Ecoflex A和B部分及（如适用）表面活性剂按指定比例混合，使用薄膜涂布器和通用薄膜涂布器以5 mm/s的速度刀刮成型，并在80°C的烤箱中固化超过12小时，以获得1毫米厚的片材。固化的片材使用激光切割机切割成哑铃形样品（ISO 37:2017类型的1A型）。对于VHB，准备了未处理和经过氧气等离子体处理（75%功率，30秒）的样品，并同样切割成哑铃形样品。对于所有测试条件，每种情况下准备了五个样品。

4.7 机械性能表征的拉伸试验程序
使用万能测试机进行单轴拉伸试验。初始的夹持距离设置为60毫米，十字头速度设置为500毫米/分钟。记录负荷-位移曲线，并根据初始标距和横截面积转换为应力-应变响应。每种条件下测试五个样品，并报告平均值。

4.8 水母机器人的制作和表征
根据图5a所示的程序制作了该机器人。VHB被等轴预先拉伸至200%的应变，并固定在内外直径分别为87.5毫米和72.5毫米的亚克力框架上。一个内外直径分别为50毫米和20毫米的ARcare电极通过一个向内的矩形标签（5毫米×12.5毫米）连接到VHB上以实现电气连接。为了加固电极位置并建立电气连接，在电极上方附加了一块F9460PC。然后对VHB进行75%功率的氧气等离子体处理30秒，之后在VHB表面涂覆3克0.1 wt.%表面活性剂掺杂的Ecoflex（未固化）。使用两个这样的组合包裹一个钟形Ecoflex层，然后在80°C下固化12小时。完成后的机器人重量约为18克，当附加支撑杆和浮子后重量增加到约25克。在驱动测试中，使用由PC控制的低压电源（PMX32-2QU，Kikusui Electronics）来驱动高压DC-DC转换器（CB101，XP Power）来激活机器人。机器人的运动使用USB相机（L-835，HOZAN）记录，通过ImageJ软件（NIH）的图像分析量化了钟形末端的角位移。在水下游泳实验中，通过支撑杆将机器人固定在浮子上，并将其放入装满自来水的水箱中。支撑杆和浮子由3D打印机（A1 mini，Bambu Lab）制造的PLA部件和粘附在顶部的聚苯乙烯泡沫块组成。使用低压电源（PMX32-2QU，Kikusui Electronics）和函数发生器（eK-FGJ，Matsusada Precision）来驱动DC-DC转换器来移动机器人。使用相机（Z5，Nikon）从上方记录机器人的运动，并使用Photron Fastcam Analysis（PFA）软件通过跟踪分析提取钟形末端的角位移。然后从位置数据计算平移速度。在分析中应用了移动平均滤波器以减少噪声。为了评估机器人游泳速度的频率依赖性，改变施加电压波形的频率范围为0.5–2.5 Hz，并在每个频率下计算平均游泳速度。

致谢
本研究得到了日本学术振兴会（JSPS）科学研究费（资助编号23H01377和23K26072）的支持。

利益冲突
作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明
支持本研究结果的数据可根据合理要求从 Corresponding Author 处获得。