Resumen:

Animals such as geckos can climb vertical walls or even move about upside down on ceilings. Such locomotion requires strong and ubiquitous adhesion between their feet and various surfaces, yet easy detachment when needed. However, current smart adhesives made of elastomers suffer from the long-standing challenges of the adhesion paradox (rapid decrease in adhesion strength on rough surfaces despite strong molecular level interactions) and the switchability conflict (trade-off between adhesion strength and easy detachment). Here, we report a new method that overcomes the adhesion paradox and switchability conflict by utilizing the rubber-glass phase transition in SMPs. We demonstrate, through mechanical testing and mechanics modeling, that the conformal contact in the rubbery state followed by the shape-locking effect in the glassy state results in the so-called R2G (rubber-to-glass) adhesion with extraordinary adhesion strength (> 1 MPa) on rough surfaces, overcoming the classic adhesion paradox. Furthermore, upon transitioning back to the rubbery state, the shape-memory effect of SMPs enables easy detachment, leading to improvement in adhesion switchability (up to 103, defined as the ratio of the SMP R2G adhesion strength to its rubbery-state detachment strength) as the surface roughness increases. The working principle and the mechanics model of R2G adhesion provide guidelines for developing stronger and more switchable adhesives adaptable to rough surfaces, thereby enhancing the capabilities of smart adhesives, and impacting various fields such as adhesive grippers and climbing robots.

Biografia:

K. Jimmy Hsia es Catedrático de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial y de la Escuela de Química, Ingeniería Química y Biotecnología de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) de Singapur. Es licenciado por la Universidad de Tsinghua (China), máster por la Universidad de Aeronáutica de Pekín y doctor por el MIT. Sus intereses de investigación incluyen la mecánica de materiales blandos, la mecánica de la morfogénesis de órganos vegetales y los metamateriales morphing, la mecánica de células de mamíferos, las micro y nanotecnologías en dispositivos y estructuras mecánicas, los sistemas adhesivos inteligentes y la robótica blanda. Es miembro de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia (AAAS), del Instituto Americano de Ingenieros Médicos y Biológicos (AIMBE) y de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME), y ha recibido el Premio de Iniciación a la Investigación de la NSF, la beca de la Sociedad Max-Planck y la beca de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia. Fue Decano Fundador de la Escuela de Postgrado y Vicepresidente (Antiguos Alumnos y Asuntos Internacionales) de la NTU. Antes de incorporarse a la NTU, Hsia fue Catedrático de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Biomédica y Vicerrector de Programas Internacionales en la Universidad Carnegie Mellon, y antes de eso fue Catedrático W. Grafton y Lillian B. Wilkins de Ciencia e Ingeniería Mecánicas en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (UIUC). De 2005 a 2007, Hsia fue Director Fundador del Programa de Nano y Biomecánica de la Dirección de Ingeniería de la NSF. Es coeditor jefe fundador de una revista de Elsevier, Extreme Mechanics Letters.