清華大學：用于毫米尺度3D物體操縱的喇叭狀粘附結構

對于毫米尺度3D物體的操縱技術在電子轉印、精密裝配、微機電系統等領域具有重要的應用前景。傳統的基于機械夾持的抓取方案（如鑷子等）需要針對不同特征的物體進行專門的設計和定制。例如，普通的尖頭鑷子難以夾持球體，需要在鑷子末端設計專門的環形結構，并且具有環形結構的鑷子無法夾持直徑小于環形的球體。此外，對于平放在基底表面上的薄片狀脆性物體（如硅片等）來說，因其無特殊的可夾持特征，使用鑷子等工具難以將其從基底表面夾持住。目前，對于毫米尺度的不同形狀和尺寸的3D物體進行可控抓取操縱的通用性技術方案仍然面臨挑戰。

近日，清華大學機械工程系摩擦學國家重點實驗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構及其力學調控方法。喇叭狀粘附結構由面投影微立體光刻技術（nanoArch S130，摩方精密）和多步澆鑄的工藝方案制備而成，對于多種曲率表面具有良好的自適應接觸性能。喇叭狀可控粘附結構能夠通過接觸界面的范德華力作用和負壓作用達到~80 kPa的粘附強度，通過外力調控屈曲失穩與基底表面主動脫附，從而實現對于多種三維物體的可控抓取和操縱。該項研究成果以“Trumpet-shaped controllable adhesive structure for manipulation of millimeter-sized objects"為題發表在國際期刊《Smart Materials and Structures》上。該研究工作由清華大學機械工程系摩擦學國家重點實驗室的博士生李小松完成。

圖1 喇叭狀可控粘附結構制備工藝流程圖。（a）由面投影微立體光刻技術直接制備得到的蘑菇狀結構；（b）通過澆鑄得到陰模模具；（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構；（e）脫模后的喇叭狀結構（d_p = 1 mm, h = 1 mm, d_t = 1.8 mm, θ =60o）；（f）喇叭狀結構的掃描電鏡照片。

圖2 喇叭狀粘附結構的粘附性能典型測試力曲線和對應的接觸狀態演化規律。（a）附著測試模式和（b）脫附測試模式對應的典型法向力測試曲線；（c）附著測試模式和（d）脫附測試模式對應的接觸界面狀態演化過程；（e）附著測試模式下喇叭狀粘附結構的粘附力和預載荷之間的關系；（f）脫附測試模式下喇叭狀粘附結構的粘附力和剪切距離的關系。

圖3 基于內聚力模型的喇叭狀可控結構的有限元仿真與界面法向應力演化規律機理。（a）接觸-脫附測試過程；（b）接觸-卸載-剪切測試過程；（c）接觸-卸載-扭轉過程中喇叭狀粘附結構的變形行為；（d）附著測試過程和（e）脫附測試過程中接觸界面法向應力的演化規律，其中紫色的箭頭表示法向應力分布的變化方向。

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