上(shang)海交大(da)：通(tong)過3D打(da)印(yin)實(shi)現(xian)剛(gang)柔(rou)復(fu)合(he)超(chao)疏(shu)水界(jie)面(mian)的制備(bei)——摩(mo)方(fang)精密(mi)

對(dui)於(yu)毫(hao)米(mi)尺(chi)度3D物(wu)體(ti)的操(cao)縱技術在電子(zi)轉印(yin)、精密(mi)裝配(pei)、微機電系(xi)統等領域(yu)具(ju)有(you)重要(yao)的應用(yong)前(qian)景(jing)。傳統的基於機械(xie)夾持(chi)的抓(zhua)取方(fang)案（如(ru)鑷子(zi)等）需(xu)要(yao)針對(dui)不(bu)同特(te)征的物(wu)體(ti)進行(xing)專門的設計(ji)和定(ding)制。例如(ru)，普通(tong)的尖頭(tou)鑷子(zi)難以夾持(chi)球體(ti)，需(xu)要(yao)在鑷(nie)子(zi)末端(duan)設計(ji)專門的環形(xing)結構(gou)，並(bing)且(qie)具(ju)有(you)環形(xing)結構(gou)的鑷子(zi)無法夾持(chi)直徑(jing)小於環形(xing)的球體(ti)。此(ci)外(wai)，對(dui)於(yu)平放在基底表面上(shang)的薄片(pian)狀脆(cui)性(xing)物(wu)體(ti)（如(ru)矽片(pian)等(deng)）來說(shuo)，因其(qi)無特(te)殊(shu)的可夾持(chi)特(te)征，使用(yong)鑷子(zi)等工具(ju)難以將其(qi)從基底表面夾持(chi)住。目(mu)前(qian)，對(dui)於(yu)毫(hao)米(mi)尺(chi)度的不(bu)同形(xing)狀和(he)尺(chi)寸的3D物(wu)體(ti)進行(xing)可(ke)控(kong)抓(zhua)取操(cao)縱的通(tong)用性(xing)技術方案仍然面(mian)臨(lin)挑戰(zhan)。

近日，清華大學機械(xie)工程(cheng)系(xi)摩(mo)擦(ca)學(xue)國(guo)家(jia)重(zhong)點(dian)實(shi)驗室的田煜(yu)教授(shou)課題組(zu)提(ti)出(chu)了壹(yi)種(zhong)毫(hao)米(mi)尺(chi)度的喇(la)叭狀可(ke)控(kong)粘附結構(gou)及其(qi)力學調(tiao)控(kong)方法。喇(la)叭狀粘(zhan)附結構(gou)由(you)面(mian)投(tou)影微立(li)體(ti)光(guang)刻技(ji)術(shu)（nanoArch S130，摩(mo)方(fang)精密(mi)）和(he)多步(bu)澆鑄(zhu)的工藝方(fang)案制(zhi)備(bei)而(er)成，對(dui)於(yu)多種(zhong)曲(qu)率(lv)表面具(ju)有(you)良好的自(zi)適(shi)應(ying)接觸性(xing)能(neng)。喇(la)叭狀可(ke)控(kong)粘附結構(gou)能(neng)夠通(tong)過接觸界(jie)面的範(fan)德(de)華力作用和負(fu)壓作(zuo)用(yong)達(da)到(dao)~80 kPa的粘附強度，通(tong)過外(wai)力調控屈曲(qu)失(shi)穩(wen)與(yu)基底表面主動(dong)脫(tuo)附，從而(er)實(shi)現(xian)對(dui)於(yu)多種(zhong)三維物(wu)體(ti)的可控(kong)抓(zhua)取和(he)操(cao)縱。該(gai)項研究成果以“Trumpet-shaped controllable adhesive structure for manipulation of millimeter-sized objects"為題(ti)發(fa)表在國(guo)際(ji)知(zhi).名(ming)期(qi)刊(kan)《Smart Materials and Structures》上(shang)。該(gai)研究工作(zuo)由清華大學機械(xie)工程(cheng)系(xi)摩(mo)擦(ca)學(xue)國(guo)家(jia)重(zhong)點(dian)實(shi)驗室的博(bo)士(shi)生李小松完成。

圖(tu)1 喇(la)叭狀可(ke)控(kong)粘附結構(gou)制(zhi)備(bei)工藝流(liu)程(cheng)圖(tu)。（a）由面(mian)投影微立(li)體(ti)光(guang)刻技(ji)術(shu)直(zhi)接制備(bei)得到(dao)的蘑菇狀結構(gou)；（b）通(tong)過澆(jiao)鑄得到(dao)陰模(mo)模(mo)具(ju)；（c）陰模(mo)模具(ju)澆鑄(zhu)PU並脫(tuo)泡(pao)；（d）將PDMS球(qiu)面按(an)壓模(mo)具(ju)得到(dao)凹面(mian)結構(gou)；（e）脫(tuo)模(mo)後(hou)的喇(la)叭狀結構(gou)（dp = 1 mm, h = 1 mm, dt = 1.8 mm, θ =60º）；（f）喇(la)叭狀結構(gou)的掃描(miao)電鏡(jing)照(zhao)片(pian)。

圖(tu)2 喇(la)叭狀粘(zhan)附結構(gou)的粘附性能(neng)典(dian)型(xing)測(ce)試力(li)曲(qu)線(xian)和(he)對(dui)應(ying)的接觸狀態(tai)演(yan)化規(gui)律。（a）附著測(ce)試模(mo)式(shi)和（b）脫(tuo)附測(ce)試模(mo)式(shi)對(dui)應(ying)的典型(xing)法向力(li)測(ce)試曲(qu)線(xian)；（c）附著測(ce)試模(mo)式(shi)和（d）脫(tuo)附測(ce)試模(mo)式(shi)對(dui)應(ying)的接觸界(jie)面狀態(tai)演(yan)化過(guo)程；（e）附著測(ce)試模(mo)式(shi)下(xia)喇(la)叭狀粘(zhan)附結構(gou)的粘附力和(he)預載(zai)荷(he)之(zhi)間(jian)的關(guan)系(xi)；（f）脫(tuo)附測(ce)試模(mo)式(shi)下(xia)喇(la)叭狀粘(zhan)附結構(gou)的粘附力和(he)剪切(qie)距(ju)離(li)的關(guan)系(xi)。

圖(tu)3 基於內聚(ju)力(li)模(mo)型(xing)的喇(la)叭狀可(ke)控(kong)結構(gou)的有(you)限元(yuan)仿(fang)真與(yu)界面(mian)法向應(ying)力演(yan)化(hua)規(gui)律機理。（a）接觸-脫(tuo)附測(ce)試過(guo)程(cheng)；（b）接觸-卸(xie)載(zai)-剪(jian)切(qie)測(ce)試過(guo)程(cheng)；（c）接觸-卸(xie)載(zai)-扭(niu)轉(zhuan)過(guo)程(cheng)中(zhong)喇(la)叭狀粘(zhan)附結構(gou)的變形(xing)行(xing)為；（d）附著測(ce)試過(guo)程(cheng)和（e）脫(tuo)附測(ce)試過(guo)程(cheng)中(zhong)接觸界(jie)面法向應(ying)力的演化(hua)規(gui)律，其(qi)中(zhong)紫(zi)色(se)的箭(jian)頭(tou)表示法向應(ying)力分(fen)布(bu)的變化(hua)方(fang)向(xiang)。

圖(tu)4 喇(la)叭狀可(ke)控(kong)粘附結構(gou)對(dui)不(bu)同大(da)小、不(bu)同形(xing)狀、不(bu)同質量(liang)、不(bu)同材質物(wu)體(ti)的操(cao)縱效果。（a）集成喇(la)叭狀粘(zhan)附結構(gou)的操(cao)作(zuo)器；（b）喇(la)叭狀粘(zhan)附結構(gou)抓(zhua)取、轉(zhuan)移(yi)和釋放物(wu)體(ti)的典型(xing)操(cao)作(zuo)步(bu)驟；喇(la)叭狀粘(zhan)附結構(gou)用(yong)於(yu)轉(zhuan)移(yi)多種(zhong)毫(hao)米(mi)尺(chi)度（c）平面物(wu)體(ti)和(he)（d）曲(qu)面(mian)物(wu)體(ti)的展(zhan)示；（e）喇(la)叭狀粘(zhan)附結構(gou)用(yong)於(yu)操(cao)縱LED燈珠完成THU字樣柔性電路(lu)裝配(pei)的展(zhan)示；（f）喇(la)叭狀粘(zhan)附結構(gou)用(yong)於(yu)水(shui)下(xia)環境操(cao)縱曲(qu)面(mian)物(wu)體(ti)的展(zhan)示。