通过内部机械刺激主动控制粘附

《International Journal of Engineering Science》：Actively controlled adhesion via interior mechanical stimulation

　　**摘要**主动可控粘附能够实现附着与脱离状态之间的可逆切换，对于生物医学器件、可穿戴电子、转印和软体机器人等新兴技术至关重要。在各种控制策略中，内部机械刺激通过改变粘附系统的变形状态和能量平衡，提供了一条有前景的整体控制途径。然而，用于量化该机制的理论接触力学模型仍然鲜有报道。在此，我们扩展了Johnson–Kendall–Roberts（JKR）粘附接触模型，使其能够描述受内部机械刺激调控的粘附接触。该刺激被理想化为子表面集中力。通过将基础半空间解、Sneddon双积分方程方法和能量释放率判据相结合，我们首次获得了接触压入深度和接触力的闭合解。结果表明，内部刺激可以显著改变平衡路径并调节脱粘力。促进附着的刺激能稳健地增强粘附，而促进脱离的刺激则产生非单调的削弱效果。调控效率强烈依赖于刺激深度和泊松比。本研究所提出的新模型为理解和设计机械可调粘附系统提供了有用的理论工具。**引言**具有动态可调粘附强度、能够在附着和脱离状态之间快速切换的粘附系统，在众多新兴技术中发挥着重要作用，包括生物医学器件、可穿戴电子、组织工程、转印和软体机器人。因此，主动可控粘附近年来吸引了广泛的研究关注。现有的粘附调控策略通常可分为表面控制法和整体控制法。表面控制法通过改变表面形貌或表面化学来调控粘附。这些方法直接操控接触界面的物理化学特性以改变粘附。相比之下，整体控制法通过施加在粘附体上或其内部的物理刺激来调控粘附。这些刺激改变了材料的内部力学、热或磁状态，从而间接影响粘附响应。从力学角度看，这些刺激产生内部场，为粘附系统引入额外的能量存储或机械功，从而改变支配粘附接触的能量平衡。与表面改性策略相比，整体控制法避免或至少减少了对复杂且可能昂贵的表面处理的依赖，使其成为主动可控粘附的有吸引力途径。近年来，各种形式的整体控制方法已被探索以实现主动可控粘附。代表性例子包括包含体引起的子表面刚度调控、基于相变或热诱导变形的热刺激、电刺激、磁刺激、振动刺激、机械刺激诱导变形和接触几何形状改变。在这些整体控制方法中，机械刺激尤其引人注目，因为它可以同时实现高的切换比率和快速的切换时间。例如，内部加压的子表面微通道可以通过改变嵌入通道内的压力来在宽范围内主动操控粘附。活性膜基础粘附剂可以通过气动驱动实现快速且可编程的粘附切换，切换时间约为0.1秒，切换率高达1300倍。利用振幅和频率精确调谐的微振动刺激，粘附强度可增强77倍或削弱至0。这些实验研究共同证明了内部机械刺激的优势，包括可逆性、可控性和快速响应。迄今为止，在机械刺激开关粘附系统的设计与制造方面已取得了重大进展。然而，其底层接触力学尚未得到充分理解。现有研究主要集中于实验演示和材料开发，能够定量地将内部机械刺激应用于调控粘附接触行为（即平衡路径、能量释放率和脱粘力）的理论模型仍然有限。据我们所知，揭示内部机械刺激与可逆粘附增强和削弱之间关系的闭式解尚未建立。粘附接触理论已建立了五十多年。在各种粘附接触理论模型中，Johnson–Kendall–Roberts（JKR）模型仍然是描述柔顺固体间短程粘附的最有用模型之一。通过将表面能效应引入赫兹接触，JKR模型建立了基于断裂力学的粘附接触描述，并给出了关键物理量的优雅闭式解。随后，Derjaguin–Muller–Toporov（DMT）模型被开发用于刚性材料和弱粘附。后来，Maugis–Dugdale（M-D）模型被提出，提供了一个涵盖JKR和DMT极限的统一框架。这些经典理论构成了现代粘附接触力学的基础，并已被扩展到更复杂的粘附接触问题，包括粗糙表面的粘附接触、分层材料、功能梯度固体、压电材料和磁电弹性能材料等。尽管有这些广泛的发展，现有研究仍然主要局限于仅由外部施加的接触载荷引起的粘附接触。据我们所知，内部机械刺激尚未被纳入任何理论粘附接触模型中。因此，本工作的目的是开发一个扩展JKR模型，以模拟内部机械刺激下的主动可控粘附。在该模型中，内部机械刺激被表示为子表面力。这种理想化明确地将额外的能量贡献引入经典的JKR框架中，允许通过改变子表面力的方向和大小来很好地捕捉粘附增强和粘附削弱。所提出的模型保持了原始JKR模型的解析可解性和物理透明性，使得能够给出受内部机械刺激调控的粘附接触的闭式解。本文组织如下：第2节介绍扩展JKR模型及相应的混合边界问题（MBVP）。第3节给出半空间对表面和内部载荷的弹性响应解。第4节推导扩展JKR模型的闭式解。在第5节中，我们使用新推导的解来探索内部机械刺激对机械刺激开关粘附系统的影响。结论性评论在第6节中提供。**章节片段****扩展JKR模型**所提出的扩展JKR模型示意如图1所示。该模型描述了半径为R的刚性球形压头与弹性半空间之间，在施加的法向载荷P和内部机械刺激共同作用下的轴对称粘附接触。在该模型中，内部机械刺激被理想化为沿压头轴线方向作用的子表面集中力P_M。此后，我们将其称为内部刺激力。根据...**半空间对表面和内部载荷的弹性响应**在本节中，我们给出与本接触问题相关的两个基本问题的解：（i）受一般轴对称表面载荷s(r)作用的半空间，和（ii）受内部竖向集中力P_M（位于z=h处）作用的半空间，如图2所示。此处采用弹性力学的符号约定，即表面载荷在指向上方时取正值。该约定与接触力学中常用的约定相反。**扩展JKR模型的解**在本节中，我们通过结合能量释放率方法和Sneddon双积分方程方法推导扩展JKR模型的解。**结果与讨论**在本节中，我们使用闭式解(19)～(20)来探索内部机械刺激诱导的粘附调控。**贡献与主要发现**在本文中，我们开发了一个扩展JKR模型来模拟内部机械刺激诱导的粘附调控。内部机械刺激被理想化为沿刚性压头轴线方向作用的子表面集中力。这种理想化保留了主动可控粘附的本质物理和粘附接触问题的解析可解性。促进粘附和促进脱离的刺激之间的切换可以通过反转...**CRediT作者贡献声明****Xingwei Chen：** 撰写 – 初稿，软件，方法学，数据管理，概念构思。**Chao He：** 软件，方法学，形式分析，数据管理。**Shuling Wang：** 资金获取。**Ernian Pan：** 撰写 – 审阅与编辑，验证，方法学，概念构思。Xingwei Chen | Chao He | Shuling Wang | Ernian Pan