用(yong)於(yu)毫(hao)米(mi)尺度(du)3D物體操(cao)縱(zong)的(de)喇(la)叭(ba)狀粘(zhan)附結構——BMF

對(dui)於毫(hao)米(mi)尺度(du)3D物體的(de)操(cao)縱(zong)技(ji)術在電(dian)子轉(zhuan)印(yin)、精(jing)密裝(zhuang)配(pei)、微機電(dian)系(xi)統(tong)等(deng)領(ling)域(yu)具(ju)有(you)重要的(de)應(ying)用(yong)前景(jing)。傳(chuan)統(tong)的(de)基於(yu)機械夾(jia)持(chi)的(de)抓取方(fang)案(an)（如(ru)鑷(nie)子等(deng)）需(xu)要(yao)針對(dui)不(bu)同(tong)特征(zheng)的(de)物體進(jin)行(xing)專(zhuan)門的(de)設計(ji)和定(ding)制(zhi)。例如(ru)，普(pu)通的(de)尖頭(tou)鑷(nie)子難(nan)以夾(jia)持(chi)球體，需(xu)要(yao)在鑷(nie)子末(mo)端設計(ji)專(zhuan)門的(de)環形(xing)結構，並且(qie)具(ju)有(you)環(huan)形結構的(de)鑷(nie)子無法夾(jia)持(chi)直(zhi)徑(jing)小於(yu)環形的(de)球體。此(ci)外，對於平放(fang)在(zai)基(ji)底(di)表(biao)面(mian)上(shang)的(de)薄(bo)片(pian)狀脆(cui)性(xing)物體（如(ru)矽片(pian)等(deng)）來說，因其無特殊(shu)的(de)可夾(jia)持(chi)特征(zheng)，使(shi)用(yong)鑷(nie)子等(deng)工具(ju)難(nan)以將其(qi)從(cong)基底(di)表(biao)面(mian)夾(jia)持(chi)住。目前，對(dui)於毫(hao)米(mi)尺度(du)的(de)不(bu)同(tong)形狀和尺寸(cun)的(de)3D物體進(jin)行(xing)可(ke)控(kong)抓取操(cao)縱(zong)的(de)通用(yong)性(xing)技(ji)術方(fang)案(an)仍然(ran)面(mian)臨挑(tiao)戰。

近日，清(qing)華大(da)學(xue)機械工(gong)程系(xi)摩擦(ca)學(xue)國家重點實驗(yan)室的(de)田煜教(jiao)授課(ke)題(ti)組提出了(le)壹(yi)種毫(hao)米(mi)尺度(du)的(de)喇(la)叭(ba)狀可(ke)控粘附(fu)結構及其力(li)學(xue)調控方(fang)法。喇(la)叭(ba)狀粘(zhan)附結構由面(mian)投影(ying)微立(li)體光刻(ke)技(ji)術（nanoArch S130，摩(mo)方(fang)精密(mi)）和多(duo)步(bu)澆(jiao)鑄(zhu)的(de)工藝(yi)方(fang)案(an)制備而(er)成(cheng)，對於(yu)多(duo)種曲(qu)率(lv)表(biao)面(mian)具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)自適(shi)應(ying)接觸性(xing)能。喇(la)叭(ba)狀可(ke)控粘附(fu)結構能夠通過接觸界面(mian)的(de)範德(de)華力作用(yong)和負壓(ya)作用(yong)達(da)到~80 kPa的(de)粘附(fu)強(qiang)度(du)，通過外力調控屈(qu)曲失(shi)穩與(yu)基底(di)表(biao)面(mian)主動(dong)脫附(fu)，從而實現(xian)對(dui)於多(duo)種三(san)維(wei)物體的(de)可控(kong)抓取和操(cao)縱(zong)。該(gai)項研究成(cheng)果以“Trumpet-shaped controllable adhesive structure for manipulation of millimeter-sized objects"為題(ti)發(fa)表(biao)在(zai)期刊《Smart Materials and Structures》上(shang)。該(gai)研究工(gong)作由清華大(da)學(xue)機械工(gong)程系(xi)摩擦(ca)學(xue)國家重點實驗(yan)室的(de)博士(shi)生(sheng)李小(xiao)松完(wan)成(cheng)。

圖(tu)1 喇(la)叭(ba)狀可(ke)控粘附(fu)結構制備工(gong)藝(yi)流程圖(tu)。（a）由(you)面(mian)投影(ying)微立(li)體光刻(ke)技(ji)術直(zhi)接制備得(de)到的(de)蘑菇狀結構；（b）通過澆(jiao)鑄(zhu)得(de)到陰(yin)模(mo)模(mo)具(ju)；（c）陰(yin)模(mo)模(mo)具(ju)澆(jiao)鑄(zhu)PU並(bing)脫泡(pao)；（d）將(jiang)PDMS球(qiu)面(mian)按壓(ya)模(mo)具(ju)得(de)到凹面(mian)結構；（e）脫(tuo)模(mo)後的(de)喇(la)叭(ba)狀結構（d_p = 1 mm, h = 1 mm, d_t = 1.8 mm, θ =60º）；（f）喇(la)叭(ba)狀結構的(de)掃描(miao)電鏡照(zhao)片(pian)。

圖(tu)2 喇(la)叭(ba)狀粘(zhan)附結構的(de)粘附(fu)性(xing)能典型測試力(li)曲(qu)線(xian)和對應(ying)的(de)接觸狀態(tai)演(yan)化(hua)規律(lv)。（a）附(fu)著測試模(mo)式和（b）脫(tuo)附測試模(mo)式對(dui)應(ying)的(de)典型法(fa)向力測試曲(qu)線(xian)；（c）附(fu)著測試模(mo)式和（d）脫(tuo)附測試模(mo)式對(dui)應(ying)的(de)接觸界面(mian)狀態(tai)演(yan)化(hua)過程；（e）附(fu)著測試模(mo)式下喇(la)叭(ba)狀粘(zhan)附結構的(de)粘附(fu)力和預載荷之間(jian)的(de)關系(xi)；（f）脫(tuo)附測試模(mo)式下喇(la)叭(ba)狀粘(zhan)附結構的(de)粘附(fu)力和剪(jian)切(qie)距(ju)離的(de)關系(xi)。

圖(tu)3 基(ji)於內(nei)聚(ju)力(li)模(mo)型的(de)喇(la)叭(ba)狀可(ke)控結構的(de)有限元(yuan)仿(fang)真與(yu)界面(mian)法向應(ying)力(li)演(yan)化(hua)規律(lv)機理(li)。（a）接觸-脫(tuo)附測試過程；（b）接觸-卸(xie)載-剪(jian)切(qie)測試過程；（c）接觸-卸(xie)載-扭轉(zhuan)過程中喇(la)叭(ba)狀粘(zhan)附結構的(de)變(bian)形行(xing)為；（d）附(fu)著測試過程和（e）脫(tuo)附測試過程中接觸界面(mian)法向應(ying)力(li)的(de)演(yan)化(hua)規律(lv)，其中紫(zi)色的(de)箭頭表(biao)示(shi)法向應(ying)力(li)分(fen)布(bu)的(de)變(bian)化方(fang)向。

圖(tu)4 喇(la)叭(ba)狀可(ke)控粘附(fu)結構對不(bu)同(tong)大(da)小、不(bu)同(tong)形狀、不(bu)同(tong)質量(liang)、不(bu)同(tong)材質物體的(de)操(cao)縱(zong)效果。（a）集成(cheng)喇(la)叭(ba)狀粘(zhan)附結構的(de)操(cao)作器(qi)；（b）喇(la)叭(ba)狀粘(zhan)附結構抓取、轉(zhuan)移(yi)和釋放物體的(de)典型操(cao)作步(bu)驟；喇(la)叭(ba)狀粘(zhan)附結構用(yong)於(yu)轉(zhuan)移(yi)多(duo)種毫(hao)米(mi)尺度(du)（c）平(ping)面(mian)物體和（d）曲(qu)面(mian)物體的(de)展示(shi)；（e）喇(la)叭(ba)狀粘(zhan)附結構用(yong)於(yu)操(cao)縱(zong)LED燈珠(zhu)完成(cheng)THU字(zi)樣柔(rou)性(xing)電(dian)路裝(zhuang)配(pei)的(de)展示(shi)；（f）喇(la)叭(ba)狀粘(zhan)附結構用(yong)於(yu)水下環境(jing)操(cao)縱(zong)曲面(mian)物體的(de)展示(shi)。