清華大學(xué)：用于毫米尺度3D物體操縱的喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)

對(duì)于毫米尺度3D物體的操縱技術(shù)在電子轉(zhuǎn)印、精密裝配、微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的基于機(jī)械夾持的抓取方案（如鑷子等）需要針對(duì)不同特征的物體進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)和定制。例如，普通的尖頭鑷子難以?shī)A持球體，需要在鑷子末端設(shè)計(jì)專門的環(huán)形結(jié)構(gòu)，并且具有環(huán)形結(jié)構(gòu)的鑷子無(wú)法夾持直徑小于環(huán)形的球體。此外，對(duì)于平放在基底表面上的薄片狀脆性物體（如硅片等）來(lái)說(shuō)，因其無(wú)特殊的可夾持特征，使用鑷子等工具難以將其從基底表面夾持住。目前，對(duì)于毫米尺度的不同形狀和尺寸的3D物體進(jìn)行可控抓取操縱的通用性技術(shù)方案仍然面臨挑戰(zhàn)。

近日，清華大學(xué)機(jī)械工程系摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的田煜教授課題組提出了一種毫米尺度的喇叭狀可控粘附結(jié)構(gòu)及其力學(xué)調(diào)控方法。喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)由面投影微立體光刻技術(shù)（nanoArch S130，摩方精密）和多步澆鑄的工藝方案制備而成，對(duì)于多種曲率表面具有良好的自適應(yīng)接觸性能。喇叭狀可控粘附結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)接觸界面的范德華力作用和負(fù)壓作用達(dá)到~80 kPa的粘附強(qiáng)度，通過(guò)外力調(diào)控屈曲失穩(wěn)與基底表面主動(dòng)脫附，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于多種三維物體的可控抓取和操縱。該項(xiàng)研究成果以“Trumpet-shaped controllable adhesive structure for manipulation of millimeter-sized objects"為題發(fā)表在國(guó)際期刊《Smart Materials and Structures》上。該研究工作由清華大學(xué)機(jī)械工程系摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士生李小松完成。

圖1 喇叭狀可控粘附結(jié)構(gòu)制備工藝流程圖。（a）由面投影微立體光刻技術(shù)直接制備得到的蘑菇狀結(jié)構(gòu)；（b）通過(guò)澆鑄得到陰模模具；（c）陰模模具澆鑄PU并脫泡；（d）將PDMS球面按壓模具得到凹面結(jié)構(gòu)；（e）脫模后的喇叭狀結(jié)構(gòu)（d_p = 1 mm, h = 1 mm, d_t = 1.8 mm, θ =60o）；（f）喇叭狀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。

圖2 喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)的粘附性能典型測(cè)試力曲線和對(duì)應(yīng)的接觸狀態(tài)演化規(guī)律。（a）附著測(cè)試模式和（b）脫附測(cè)試模式對(duì)應(yīng)的典型法向力測(cè)試曲線；（c）附著測(cè)試模式和（d）脫附測(cè)試模式對(duì)應(yīng)的接觸界面狀態(tài)演化過(guò)程；（e）附著測(cè)試模式下喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)的粘附力和預(yù)載荷之間的關(guān)系；（f）脫附測(cè)試模式下喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)的粘附力和剪切距離的關(guān)系。

圖3 基于內(nèi)聚力模型的喇叭狀可控結(jié)構(gòu)的有限元仿真與界面法向應(yīng)力演化規(guī)律機(jī)理。（a）接觸-脫附測(cè)試過(guò)程；（b）接觸-卸載-剪切測(cè)試過(guò)程；（c）接觸-卸載-扭轉(zhuǎn)過(guò)程中喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)的變形行為；（d）附著測(cè)試過(guò)程和（e）脫附測(cè)試過(guò)程中接觸界面法向應(yīng)力的演化規(guī)律，其中紫色的箭頭表示法向應(yīng)力分布的變化方向。

圖4 喇叭狀可控粘附結(jié)構(gòu)對(duì)不同大小、不同形狀、不同質(zhì)量、不同材質(zhì)物體的操縱效果。（a）集成喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)的操作器；（b）喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)抓取、轉(zhuǎn)移和釋放物體的典型操作步驟；喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)用于轉(zhuǎn)移多種毫米尺度（c）平面物體和（d）曲面物體的展示；（e）喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)用于操縱LED燈珠完成THU字樣柔性電路裝配的展示；（f）喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)用于水下環(huán)境操縱曲面物體的展示。