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April 13, 2021

三维粘附微纳结构应用于工业拾取应用

仿生学粘附微结构
由3D微纳加工母版经复制压模制造的仿生学粘附微纳结构阵列。图片来自于R. Hensel, INM – Leibniz Institute for New Materials

壁虎是如何实现在几乎任意墙面上自由行走,自如实现吸附和脱附的呢?这些从大自然中获得的灵感又如果能够应用到工业领域的拾取功能呢?壁虎这种独特的能力一直吸引了科学家们的极大关注,而谜底就是壁虎脚掌的微结构化表面,这是可逆表面附着力的关键。如今,我们可以使用通过3D微纳加工打印母版,运用复制压模技术制造比人类发丝还细的的仿生学可逆粘附微柱。

壁虎具有惊人的爬行能力,可以粘附在几乎任何表面上,例如岩石,木材甚至平板玻璃。这飞檐走壁的秘密就在于它们精细微纳结构的脚垫。壁虎的每个脚底长者数百万根极细的刚毛,而每根刚毛末端又有数百根更细的微纳米结构分支,这使壁虎可以完美地适应任何表面。当壁虎的脚掌在墙面上时,从而产生范德华力,可以使壁虎在墙面上行走自如。
来自莱布尼兹新材料研究所(INM)的科学家们详细研究了这种复杂的微纳结构,并分析了可逆粘附微观结构能如何应用于工业生产线的抓取任务,和更多其他应用,包括用于维护服务的攀爬机器人或用于清除绕地球轨道飞行的空间碎片系统等。所有这些应用的关键在于受壁虎启发的仿生粘附微纳结构,科学家通过结合基于双光子聚合原理的3D微纳加工技术来实现制造。

制作3D粘附结构微纳加工母版

科学家们使用Nanoscribe的Photonic Professional系统设计各种不同形状的3D粘附微纳结构母版,例如简单的柱形,T形设计(也称为蘑菇形),甚至是更复杂的杯形和漏斗形微纳结构。经过精密的设计后,科学家们运用3D微纳加工技术制作母板,然后将该母板通过复制压模来最终制造3D粘附微纳结构。
Nanoscribe的无掩模双光子光刻技术具备极高的设计自由度,能实现几乎任何几何形状的粘附微纳结构。科学家们运用该技术特别设计了带翼面柱状排列的漏斗形微纳结构。通过调节翼面的角度,可以控制微纳结构的粘合度,该微纳结构无论是在干燥条件下甚至是水下都能表现出更强的粘合度。因此,这些漏斗形的微结构对于在受控实验室环境条件下的应用具有巨大潜力,例如由于受湿度和雨水影响,实验接触表面在干湿条件下迅速变换的情况。

母版制作叠加复制工艺对比直写微纳加工技术

通常我们用复制工艺来制造的这些具有应用潜力的粘附微纳柱状阵列。这种微纳加工方法在科研人员的文献 这种微纳加工方法在科研人员的文献中有更详细的描述,并开拓了多种材料的使用。简而言之,研究人员使用3D微纳加工技术打印的母版制作了PDMS底模,然后用聚氨酯或其他弹性体材料来最终形成粘附结构(请参见制造方案)。对于粘附微结构,弹性体聚合物(例如聚氨酯)能与对置表面形成更好的接触,因此优于刚性更强的3D微纳加工母版材料。然而,复制压模工艺限制了设计自由度,例如较大的底切不能从模具上成形。 Nanoscribe目前正在开发的可直接打印的弹性体材料,为今后直接打印弹性微纳结构的高级设计开辟了新的可能性。

从学术界到工业应用

微结构胶已不再是纯粹的学术主题,而是在实际应用方面有了新的意义,例如在工业生产线中对精密物体进行贴装处理。 这些有应用前景的仿生微纳结构有望得到进一步技术转移。

完整的科学出版物以及数百项科研项目文献可以通过关键词检索功能,在我们功能强大的高级数据库中找到。欢迎免费注册并深入了解Nanoscribe的3D微纳加工技术在更多领域的创新应用和潜力。

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