一种仿生可控吸附的制备方法与流程

本发明属于微纳工程中仿生微结构制造技术领域，具体涉及一种基于连续倾斜楔形

微结构阵列的仿生可控吸附的制备方法。

背景技术：

壁虎脚掌可控吸附系统是当前自然界中已知的最通用、最有效的生物功能吸附系统，其独特的多尺度分层刚毛纤维基于范德华力交互不仅赋予了壁虎脚掌强大的吸附力，而且还赋予了其独特的吸附特性，进而拥有轻易在各种表面快速攀爬的能力。

当前已有许多基于微结构的仿生功能吸附被开发出来，但在这些已有的研究中能有效复现壁虎脚掌可控吸附特性的仿生功能吸附并不多，而恰恰仿生功能吸附的可控性对于其有效应用于机器人攀爬、目标抓持等领域具有重要意义。

倾斜的楔形微结构因为与壁虎的刚毛具有极大的相似性已被证明拥有突出的可控吸附特性，其因为可控性而拥有面向空间漂浮目标捕获的潜力也被证实。虽然当前已有少数加工工艺被开发出来用于制备楔形微结构阵列，但其均存在不同程度的问题：双边和双角度光刻工艺只能制备直立楔形微结构，而且其尚要求高精度的曝光对准，工艺耗时长、昂贵、成品率也相对低；两步倾斜曝光工艺虽能制备倾斜的楔形微结构，但其与双边和双角度光刻工艺一样，制备门槛高，工艺也相对复杂，对应的成本也高，而且二者创建的成型模具均不具备好的耐用性；基于传统机械压痕的微加工工艺虽然弥补了光刻工艺存在的工艺复杂，成本高等问题，但其仍面临着成型模具不具备好的耐用性的问题；超精密金刚石飞切方法虽然从一定程度上提高了成型模具的耐用性，但因为飞切工艺的固有特性，实际的楔形微腔体在模具表面是沿圆周径向分布的，因而基于该模具制备的楔形微结构阵列仅能以很小的尺寸去使用，这极大约束了楔形微结构阵列的应用潜力。据此，当前如何高效、保质、批量化地将具有楔形微结构的阵列加工出来仍是亟待解决的一个问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种仿生可控吸附的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种仿生可控吸附的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：采用超精密多步分层刻划策略制备具有连续倾斜楔形腔阵列的主模具；

步骤二：将制备好的主模具进行硅烷化处理；

步骤三：在主模具的外周边套设框架；

步骤四：将搅拌均匀且脱气后的聚合物浇筑到套设框架后的主模具内并再次做脱气处理；

步骤五：在聚合物上铺上一层薄膜，再盖上一块盖板并加上平衡荷载；

步骤六：恒温固化聚合物后将其从主模具上剥离得到具备连续倾斜楔形微结构阵列的仿生可控吸附。

进一步的，步骤一中，所述超精密多步分层刻划策略包括以下步骤：

步骤1：将模具胚件和v形的刀具装夹在超精密机床上，并完成对刀；

步骤2：所述刀具刻划模具胚件时，刀具与模具胚件的上表面根据楔形腔的期望倾斜角呈相应的倾斜角度，刻划方向与刀具的v形横截面垂直；

步骤3：v形刀具的尖端层层刻划累加形成一个连续倾斜的楔形腔；

步骤4：按照楔形腔的设计间距，模具胚件依次递进，从而加工下一个楔形腔，直至完成若干个楔形腔的刻划，得到具有若干个连续倾斜楔形腔阵列的主模具；其中模具胚件依次递进的方向与刀具刻划方向垂直。

进一步的，步骤2中，刀具的中心对称面相对模具胚件的上表面的倾角范围为22.5°-90°，刀具的尖端角度范围为15°-30°。

进一步的，步骤3中，所述刀具的尖端角与楔形腔的尖端角相同。

进一步的，步骤3中，所述楔形腔的垂直高度为50-150μm。

进一步的，步骤一中，所述连续倾斜楔形腔阵列包括多个并列设置的长条状的楔形腔，每个所述楔形腔均倾斜设置。

进一步的，步骤一中，所述主模具的形状为方形。

进一步的，步骤四中，所述聚合物为硅橡胶或聚氨酯。

进一步的，步骤六中，仿生可控吸附包括基底和设置在基底上的连续倾斜楔形微结构阵列，所述连续倾斜楔形微结构阵列包括多个并列设置的长条状的楔形微结构，每个所述楔形微结构均倾斜设置，所述楔形微结构与楔形腔的腔体形状一致。

进一步的，所述框架的高度为主模具的高度和仿生可控吸附的基底厚度之和。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明基于提出的超精密多步分层刻划策略制备出具有连续倾斜楔形微腔体阵列的金属主模具，该主模具不仅能够实现多次重复使用，还能够复制出几厘米乃至几十厘米大小的连续倾斜楔形微结构阵列，连续倾斜的楔形微结构阵列使得仿生可控吸附具有明显的可控吸附、动态吸附等突出的壁虎脚掌吸附特性，可控吸附特性能够助力实现对目标表面的无损及无扰吸附抓持；而动态吸附特性能够助力实现在吸附界面滑动过程中对吸附状态的动态调整，从而避免突然性的吸附失效。此外，本发明涉及的整个工艺过程操作简单，不涉及任何复杂的化学反应，环保高效，相关工艺参数也可控，制备的主模具经久耐用，能多次重复使用，获得的仿生可控吸附具有明显的可控吸附和动态吸附特性；基于该制备方法，也能灵活改变楔形微结构的特征尺寸(如垂直高度、尖端角以及倾角)，这些特征尺寸的修改或者优化对于改善仿生可控吸附的吸附性能是有益的。该仿生可控吸附有望应用于机器人攀爬、空间目标吸附抓持等领域。

附图说明

图1为基于连续倾斜楔形微结构阵列的仿生可控吸附的吸附原理示意图；其中，a为仿生可控吸附与交互界面间的初始接触状态，b为仿生可控吸附与交互界面间的紧密接触状态；其中，a为正向载荷，b为切向载荷；该仿生可控吸附在正向载荷a的辅助作用下主要通过切向载荷b来激活吸附功能；

图2为视频捕获的仿生可控吸附的被动吸附过程，包括图1中仿生可控吸附与交互界面间的初始接触状态(c)、中间接触状态(d)和紧密接触状态(e)；

图3为超精密机床的运动配置示意图；

图4为超精密多步分层刻划策略的示意图；图中，c为刀具刻划方向，d为退刀方向，e为刀具回初始位方向，f为刀具的进给方向，g为已刻划的区域，h为模具胚件递进方向；

图5为刻划一个楔形腔时，刀具的进给方向和刻划次数示意图，图中，1～n为刀具刻划次数，i为每层刻划截面对应的刀印，j为刀具的进给方向；

图6为具有连续倾斜楔形微腔体阵列的主模具结构示意图；

图7为具有连续倾斜楔形微腔体阵列的主模具的扫描电镜图；

图8为仿生可控吸附的浇筑成型工艺示意图；(i)主模具表面硅烷化处理；(ⅱ)组装主模具、框架和玻璃底板；(ⅲ)浇筑聚合物并铺上薄膜；(ⅳ)恒温固化过程，(ⅴ)剥离聚合物；(ⅵ)制备的仿生可控吸附。

图9为具有连续倾斜楔形微结构阵列的仿生可控吸附的扫描电镜图；

图10为反应仿生可控吸附可控吸附特性的力空间散点图；k为最大正向吸附＝4.048kpa，l为最大切向摩擦＝64.39kpa。

图11为反应仿生可控吸附动态吸附特性的力时间曲线；m为动态摩擦区域；n为切向摩擦；o为预加载；p为水平拖拽；q为剥离；r为动态吸附区域；s为正向吸附；

图中，1、主模具，2、框架，3、薄膜，4、盖板，5、平衡荷载，6、仿生可控吸附，7、玻璃基底，8、聚合物，11、楔形腔，01、模具胚件，02、刀具，03、超精密机床，61、基底，62、楔形微结构。

具体实施方式

下面结合附图1-11和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换(如采用具有更小或更大尖端角的金刚石刀具、改变楔形微结构的垂直高度/倾斜角等)，而不脱离本发明技术方案的范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一

一种仿生可控吸附的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：采用超精密多步分层刻划策略制备具有连续倾斜楔形腔阵列的主模具1；所述连续倾斜楔形腔阵列包括多个并列设置的长条状的楔形腔11，每个所述楔形腔11均倾斜设置；所述主模具1的形状为方形，优选的材质为黄铜；

步骤二：将制备好的主模具1置于充满氟硅烷蒸汽的环境中进行硅烷化处理；

步骤三：在主模具1的外周边套设金属材质的框架2；优选的，所述框架2的材质为铝合金；

步骤四：将搅拌均匀且脱气后的聚合物8浇筑到套设框架2后的主模具1内并再次做脱气处理；优选的，所述聚合物8为硅橡胶或聚氨酯，但并不仅限于此，凡不与主模具材质反应且不与主模具表面产生强粘结的聚合物均适用于本发明；

步骤五：在聚合物8上铺上一层pet薄膜3，再盖上一块光滑平整的盖板4并加上平衡荷载5；

步骤六：恒温固化聚合物8后将其从主模具1上剥离得到具备连续倾斜楔形微结构阵列的仿生可控吸附6；仿生可控吸附6包括基底61和设置在基底61上的连续倾斜楔形微结构阵列，所述连续倾斜楔形微结构阵列包括多个并列设置的长条状的楔形微结构62，每个所述楔形微结构62均倾斜设置，所述楔形微结构62与楔形腔11的腔体形状一致；所述框架2的高度为主模具1的高度和仿生可控吸附6的基底61厚度之和。

进一步的，步骤一中，所述超精密多步分层刻划策略包括以下步骤：

步骤1：将模具胚件01和v形的金刚石刀具02装夹在超精密机床03上，并完成对刀；

步骤2：所述金刚石刀具02刻划模具胚件01时，金刚石刀具02与模具胚件01的上表面根据楔形腔11的期望倾斜角呈相应的倾斜角度，刻划方向与金刚石刀具02的v形横截面垂直；具体沿超精密机床03坐标系的y轴方向，所述金刚石刀具02的中心对称面与模具胚件01上表面之间的夹角范围为22.5°-90°，优选45-90°；金刚石刀具02的尖端角度范围为15°-30°，优选的，金刚石刀具02的中心对称面与模具胚件01上表面之间的夹角为60°，金刚石刀具02的尖端角度为20°。

步骤3：v型金刚石刀具02的尖端层层刻划累加形成一个长条状的连续倾斜的楔形腔11；所述金刚石刀具02的尖端角与楔形腔11的尖端角相同；所述楔形腔11的垂直高度为50-150μm，优选的，所述楔形腔11的垂直高度为100μm；

步骤4：按照楔形腔11的设计间距，模具胚件01依次递进，进一步加工下一个楔形腔11，直至完成若干个楔形腔11的刻划，得到具有若干个连续倾斜楔形腔阵列的主模具1；其中模具胚件01依次递进的方向与金刚石刀具02刻划的方向垂直，具体为沿超精密机床03坐标系的x轴方向。

实施例1

一种仿生可控吸附的制备方法，包括以下两大步骤：

第一步，基于超精密多步分层刻划策略制备具有连续倾斜楔形腔阵列的金属主模具1。首先，基于铣削工艺获得模具的方形半成品件，即模具胚件01，模具胚件01的长×宽尺寸由超精密机床03的线性运动极限、所需仿生可控吸附6的宏观尺寸以及尖点v形金刚石刀具02的寿命共同折衷决定。然后，准备超精密机床03(至少具备如图3所示意的x、y和z三个线性运动轴)，将模具胚件01和金刚石刀具02按期望位姿装夹，并完成对刀。最后，超精密多步分层刻划开始，如图4所示，刻划时，金刚石刀具02的v形截面与待成型的楔形腔11截面平行，而刻划方向与金刚石刀具02的v形截面垂直；一个成形的楔形腔11通过尖点v形金刚石刀具02层层刻划累加而成，层层刻划过程中金刚石刀具的实际进给轨迹沿楔形腔11的下表面，而每层刻划只有金刚石刀具02的部分截面参与刻划，如图5所示；当设计的楔形腔11深度达到了，即一个楔形腔11加工完成，模具胚件01便按楔形腔11的设计间距逐步递进一次，进而加工下一个楔形腔11，模具胚件01逐步递进的方向与金刚石刀具02刻划方向垂直。如此循环，最终成形的具有连续倾斜楔形腔阵列的金属主模具1示意图如图6所示，而实际成形的楔形腔11的正面和顶端扫描电镜图如图7所示。

第二步，基于浇筑成型工艺制备具有连续倾斜楔形微结构阵列的仿生可控吸附，如图8所示。首先，将制备好的金属主模具1至于充满氟硅烷蒸汽的环境中进行硅烷化处理，处理时间为16-24h即可。然后，将控制仿生可控吸附基底61厚度的金属框架2与金属主模具1组装，并用玻璃基底7进行封底；接着，将搅拌均匀且脱气后的聚合物8浇筑到组装后的金属主模具1内并再次做脱气处理，脱气处理时间一般为10-15min。其次，将事先准备好的pet薄膜3平铺于聚合物8之上，并随即盖上一块光滑平整的玻璃盖板4并加上平衡荷载5。再接着，将整个组件至于恒温箱内使聚合物8固化。最后，将固化后的聚合物8从金属主模具1内顺序剥离即可得到具有连续倾斜楔形微结构阵列的仿生可控吸附6。如图9所示为仿生可控吸附的扫描电镜图，图10和图11分别展现了本发明涉及的仿生可控吸附所具备的可控吸附特性和动态吸附特性。

如图1和图2所示，一种基于连续倾斜楔形微结构阵列的仿生可控吸附的吸附原理为：

仿生可控吸附6的吸附过程实质为在外部正向及切向载荷作用下的被动吸附过程：当没有施加外部载荷时，仿生可控吸附6的连续倾斜楔形微结构保持自然状态，其仅在自身重力的作用下与待交互界面间形成尖端点接触，因为没有足够的接触面积来产生有效吸附，此时仿生可控吸附6处于无吸附状态；当施加正向和切向外部载荷时，仿生可控吸附6的连续倾斜楔形微结构顺应外部载荷作用而逐渐弯曲，从而最终与待交互界面间形成紧密的面接触，因为大的接触面积产生了有效的吸附力，此时仿生可控吸附6处于有效吸附状态。从初始的点接触到最终的面接触，楔形微结构的变形逐渐增大，最终形成紧密接触，实现强附着力；楔形微结构的变形越大，所形成的界面相互作用区域越大，所获得的粘结能力也越强。此外，在仿生可控吸附6能够实现的最大正向吸附力范围内，其正向吸附力能够通过外部切向载荷(切向力/切向位移)来调控，即外部切向载荷越大对应形成的正向吸附力也越大。