浙大新型吸盘，液体封闭粗糙面，实现攀爬的“最后一公里”

1654著名的马德堡半球实验首次展示了由真空引起的巨大吸力，目前这种真空抽吸单元广泛用于各种生产线，攀爬机器人等。

但是这些真空抽吸单元的应用受到真空泄漏——一种空气流动的极大限制，这种从大气到真空区的空气流使得抽吸设备很难在粗糙的表面发挥作用。

左侧是光滑表面，右侧是粗糙表面

如上图所示，漏气使得你没有力量。

传统上，真空泄漏是通过阻塞大气层和真空区之间的流动路径来防止的，这对于在粗糙表面上工作的抽吸单元来说是困难的。所以通常情况下在光滑表面和粗糙表面上需要完全不同的技术。

但是，来自浙江大学的研究人员提出了一种新型的吸盘，该吸盘通过引入旋转的水涡流来增强系统的封闭性，从而非常有效地吸附在宽间距瓷砖甚至粗糙的混凝土等表面。

这款吸盘基于一种完全不同机制的零压差（ZPD）方法。ZPD方法消除了真空区域边界处的压力差，因此无论工作表面的粗糙度如何，都可以防止真空泄漏。

ZPD抽吸单元在真空区域的外围形成旋转的水层，所产生的向心力会产生陡峭的压力梯度，从而在真空区域的中心保持高真空，而边界处的压力仍等于大气压。

实验表明，一个0.8千克的ZPD抽吸器在粗糙表面上产生的吸力超过245 N，功耗却小于400W。相比之下，由于真空泄露，相同尺寸的传统抽吸器将需要功率为几千瓦的真空泵，才能产生类似的吸力。

这款设备是由一款带有真空泵的传统吸盘改造而成，配有注水系统和叶轮。叶轮与保持真空无关，它的工作是使水以每秒90转的速度旋转。向心力使旋转的水在真空腔室的外部形成一个环，从而防止水通过真空泵被吸出，同时还保持真空腔室与粗糙表面之间的液体密封。

因为水会进入所有的小角落和缝隙，所以密封效果要好得多，从而产生更高的性能，尤其是在具有高粗糙度的表面上。

目前研究人员设想出了三个潜在应用（全在视频中），其中第一个应用，ZPD抽吸单元固定在机械臂的末端，作为机械手来抓握和处理物体。转速ω将其控制为90 rps，因此产生的吸力为267N。

因此，用机械臂轻松举起10 kg的混凝土块，并以任意姿势操作。混凝土块的粗糙表面在大气和真空室之间形成了流动路径，因此当ZPD抽吸单元垂直放置时，由于重力的作用，水滴连续滴落。但是，由于没有真空泄漏，因此10 W的微型真空泵就足够了。如果考虑旋转水层的功率，则原型的总功耗仅为190W。

不过设备的缺点也是十分明显的，在图C中我们可以看见在使用过程中存在着液体泄露的问题，据研究人员统计每分钟泄漏超过2升，看来解决了真空泄露接下来还需要解决液体泄漏。

论文链接：

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5129958

2020年中国机器人行业年会重磅来袭，行业年度盛会大咖齐聚!

点击图片，跳转文章链接，了解年会详情

看累了吗？戳一下“在看”支持我们吧！