仿壁虎干黏附表面绿色、高效制备方法:超精密金刚石切削

壁虎是自然界“飞檐走壁”的高手,可以快速、稳定地在墙壁甚至天花板上爬行。很久以前,古希腊哲学家亚里士多德(384 BC‒322 BC)在《动物的历史》一书中就对壁虎卓越的攀爬能力进行了描述。

近年研究发现壁虎的攀爬能力主要源于脚掌多等级刚毛结构与壁面间的分子间相互作用力(范德华力),通过脚趾的卷入和卷出可以控制强黏附和易脱附的转换。由于范德华力在自然界中普遍存在,仿壁虎干黏附表面不但可用于大气环境下的爬壁机器人、夹持器等,还可以拓展到空间环境中的应用,如宇航员手套、空间垃圾回收装置、空间驻留平台维护机器人等。目前,仿壁虎黏附表面主要用刻蚀-浇铸和气相生长等方法制备,但这些方法存在操作复杂、成本高、产量低等缺点。受限于传统制备工艺的缺陷,仿壁虎表面并没有在工程领域得到广泛的推广应用。

AFM-tianyu

(a)壁虎黏附及其仿生;(b)用气球展示真空环境的楔形黏附表面夹持器转移晶元

近期,清华大学田煜和李勇研究团队提出基于超精密金刚石切削技术加工仿壁虎表面模具的研究思路。通过后续简单的脱模,即可制备具有明显黏附/摩擦各向异性特性的楔形阵列仿壁虎表面(Gripping方向和Releasing方向黏附/摩擦强度对比分别为10.5 kPa vs 0.7 kPa、50 kPa vs 30 kPa)。基于该楔形仿壁虎表面制作的夹持机构成功实现了对大气/真空中晶元的拾取、转移和释放。研究提出了一种绿色、可靠、高性价比的制备仿壁虎干黏附功能表面的方法,有望促进仿壁虎表面在爬壁机器人黏附足、真空夹持器以及空间黏附器件等方面的应用。

相关论文在线发表在Advanced Functional Materials(DIO:10.1002/adfm.201606576)上。清华大学机械工程系田煜教授为论文通讯作者,博士研究生陶大帅为第一作者。

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