基于微区控制脱附的高强度干粘附复合结构设计及成形制造基础研究

Bionic structures for dry adhesives have potential applications on industrial production, health monitoring, etc., in which it is a challenge to achieve the performance for tunable dry adhesive with high strength. In this project, a hierarchical structure is proposed to obtain tunable adhesives with high strength, which contains adhesive layer induced by mushroom-shaped structures, deformation layer provided by electroactive polymer and supporting layer introduced by microstructure array. In detail, the high adhesive force for the hierarchical structure on smooth or rough surfaces is generated by the flexibility induced by the supporting layer and the dry adhesive enhanced by mushroom-shaped structures; the tunable adhesive for the hierarchical structure is provided by controlling the contact area on microscale, where the contact area between the mushroom-shaped structures and the contacting surface can be varied through deformation layer determined by electric field. In order to overcome the difficulty of fabricating mushroom-shaped structures on the top surface of the supporting layer, an approach is proposed based on a consideration of “mushroom-shaped structures firstly fabricated, and then the supporting structures produced”. Based on the mushroom-shaped structures fabricate by photolithography and moulding, the supporting structures are produced by electrically induced structure formation. In this project, the basic theories of adhesive mechanism on the interface between the mushroom-shaped structure and the contacting area, tunable adhesive mechanism for controlling the contact area on microscale, and the fabrication of hierarchical structure are deeply studied, aiming to provide a novel technique for design and fabrication of dry and tunable adhesive structures with high strength.

仿生粘附结构在工业生产和健康监测等领域具有广阔的应用前景，在保持高粘附性能的前提下，如何实现可控脱附是仿生粘附领域极具挑战性的难题。本项目提出一种包含蘑菇状结构粘附层、电致弹性形变层和柔性结构支撑层的多级复合结构功能表面，利用柔性支撑层改善蘑菇状结构的随形适应性，实现光滑/粗糙表面的高强度粘附；利用弹性薄膜层的电致形变特性，建立了原创性的微区控制脱附方法，通过改变蘑菇状结构阵列的微观接触状态，实现高强度粘附界面的可靠脱附。此外，为解决在结构化表面制造蘑菇状粘附结构的难题，本项目提出“先制造顶层蘑菇状结构，再形成底部支撑结构”的新思路，在蘑菇状结构光刻/模塑成形的基础上，采用电场诱导生长技术制造底层支撑结构，实现粘附功能表面三维复合结构的创新制造。本项目将在结构/界面微观粘附机理、微区控制脱附机制、三维多级复合结构成形控制等方面探索基础理论，为高性能粘附表面的结构设计和高效制造提供原创技术。

壁虎仿生粘附结构的优异特性吸引了广泛的研究，然而如何在保持高强度粘附性能的基础上实现可控脱附是制约仿生粘附结构实际应用的重要瓶颈，因此，要支撑仿生粘附结构的应用发展，就必须探索符合规模化制造技术内涵的高粘附性能仿生结构成形技术以及粘附/脱附调控技术。本项目从仿生结构的制造工艺和界面微观粘附机理出发，研究了仿生粘附结构在光滑和粗糙表面的粘附特性，探索了外场调控下粘附/脱附行为机制，解决了高性能仿生粘附结构的大面积制造以及粘附/脱附可控转化的应用难题，形成了独立自主的知识产权。.在仿生粘附结构的可控制造方面，本项目提出了电场诱导聚合物流变成形制备仿生粘附结构以及双面紫外曝光制备仿生粘附结构的制造技术，该类工艺方法解决了传统仿生粘附结构制造方法成形面积小、工艺复杂、成本高、效率低等问题，为仿生粘附结构的可控制造提供了新的思路；.在结构/界面微观粘附机理方面，本项目建立了基于变厚度薄板大挠曲变形和界面能量释放准则的力学模型，在微观尺度上揭示了仿生结构的界面物理行为及粘附增强机理，分析了结构尺寸与界面分离方式的关系，量化了真空效应与摩擦力于法向粘附力的具体贡献，为仿生粘附结构的性能优化提供了设计准则；.在粗糙表面粘附增强方面，本项目提出了以仿生粘附结构为接触单元的离散支撑多级结构，通过在两级结构中引入可弯曲薄膜基底，有效降低了贴合粗糙表面过程中的系统能量惩罚，提升了粗糙表面的粘附强度，为粗糙表面仿生粘附结构的设计制造提供了指导性意见；.在仿生结构粘附/脱附调控方面，本项目提出了气压调控的粘附/脱附方法，研究了负压效应对粘附性能的影响规律，通过施加负压改变粘附薄膜与目标表面间的有效接触面积，实现粘附和脱附状态间的可控转变；在此基础上，开发了仿生粘附组件与四轴水平关节机械手臂的集成系统，对于多种材质、不同表面物体表现出优良的抓取输运能力，为仿生粘附结构的产线推广提供了应用展示。