ES2350823T3

ES2350823T3 - ADHESIVE MICROSTRUCTURE AND FORMATION PROCEDURE OF THE SAME.

Info

Publication number: ES2350823T3
Application number: ES00993217T
Authority: ES
Inventors: Robert J. Full; Kellar Autumn; Ronald S. Fearing; Thomas W. Kenny
Original assignee: University of California; Leland Stanford Junior University
Current assignee: University of California; Leland Stanford Junior University
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2020-12-11

Abstract

Un procedimiento para fabricar una microestructura adhesiva, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de: fabricar un conjunto de fustes, teniendo cada fuste una longitud inferior a 500 × 10-6 m (500 micrómetros), y teniendo cada fuste un diámetro entre 0,01 y 0,1 veces dicha longitud de dicho fuste; y formar espátulas en dicho conjunto de fustes, 10-6 teniendo dichas espátulas una anchura inferior a 10 × m (10 micrómetros), incluyendo cada espátula individual de dichas espátulas un segmento curvado de una esfera en un extremo terminal de la espátula.A method for manufacturing an adhesive microstructure, said method comprising the steps of: manufacturing a set of shafts, each shaft having a length less than 500 × 10-6 m (500 micrometers), and each shaft having a diameter between 0.01 and 0.1 times said length of said shaft; and forming spatulas in said set of shafts, 10-6 said spatulas having a width less than 10 × m (10 micrometers), each individual spatula of said spatulas including a curved segment of a sphere at a terminal end of the spatula.

Description

La presente solicitud reivindica prioridad con respecto a la solicitud provisional de patente titulada, “Non-Interlocking Dry Adhesive Microstructure and Method of Forming Same”, con número de serie 60/172.731, presentada el 20 de diciembre de 1999. The present application claims priority with respect to the provisional patent application entitled, "Non-Interlocking Dry Adhesive Microstructure and Method of Forming Same", with serial number 60 / 172,731, filed on December 20, 1999.

La presente invención se realizó con ayuda del gobierno de EE. UU. con la subvención (Contrato) nº N00014-98-C0183, concedida por DARPA por medio de un subcontrato de U.S. Robotics. El gobierno de EE. UU. tiene ciertos derechos sobre la presente invención. The present invention was made with the help of the US government. UU. with grant (Contract) No. N00014-98-C0183, granted by DARPA through a U.S. subcontract. Robotics The US government UU. You have certain rights over the present invention.

BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

La presente invención versa, en general, acerca de la fabricación y el uso de estructuras de escala microscópica. Más en particular, la presente invención versa acerca de una microestructura adhesiva sin enclavamiento. The present invention relates, in general, to the manufacture and use of microscopic scale structures. More in particular, the present invention relates to an adhesive interlocking microstructure.

BACKGROUND OF THE INVENTION

Existe una necesidad presente de adhesivos mejorados. Los adhesivos mejorados tienen aplicaciones que varían desde aspectos cotidianos de la vida (por ejemplo, cinta, fijaciones y juguetes) hasta tecnología punta (por ejemplo, la eliminación de partículas microscópicas de láminas semiconductoras, el transporte de dispositivos de fibra óptica, y el montaje de mecanismos submilimétricos, particularmente los que incluyen componentes microfabricados, o componentes que no pueden tolerar dispositivos de agarre, adhesivos, o ventosas de manipulación). There is a present need for improved adhesives. Enhanced adhesives have applications that vary from everyday aspects of life (e.g., tape, fixings and toys) to cutting-edge technology (e.g., the removal of microscopic particles from semiconductor sheets, the transport of fiber optic devices, and assembly of submillimeter mechanisms, particularly those that include microfabricated components, or components that cannot tolerate gripping devices, adhesives, or handling suction cups).

Se han estudiado mecanismos adhesivos en la naturaleza, pero no han sido completamente comprendidos ni explotados. Por ejemplo, los gecos son excepcionales por su capacidad para subir rápidamente por superficies verticales lisas. El mecanismo de adhesión utilizado por los gecos, los lagartos Anolis, algunos escincos, y algunos insectos, ha sido objeto de debate durante casi un siglo. Adhesive mechanisms have been studied in nature, but have not been fully understood or exploited. For example, geckos are exceptional for their ability to quickly climb smooth vertical surfaces. The mechanism of adhesion used by geckos, Anolis lizards, some scincos, and some insects, has been the subject of debate for almost a century.

Aunque alguna obra anterior ha identificado la morfología de los pelillos utilizados por los gecos y otros insectos, estas obras anteriores no identifican cómo opera el pelillo. Además, esta obra anterior no identifica cómo utilizar un pelillo para realizar un trabajo útil. Although some previous work has identified the morphology of the hairs used by geckos and other insects, these previous works do not identify how the hair operates. In addition, this previous work does not identify how to use a hair to do useful work.

Sería muy deseable identificar y aprovechar el mecanismo de fuerza adhesiva utilizado por los gecos y otros insectos. Tal información podría tener como resultado el uso de nuevas microestructuras adhesivas y la fabricación de tales estructuras. It would be very desirable to identify and take advantage of the mechanism of adhesive force used by geckos and other insects. Such information could result in the use of new adhesive microstructures and the manufacture of such structures.

SUMMARY OF THE INVENTION

Según la invención, se proporciona un procedimiento como se especifica en la reivindicación 1, y una microestructura fabricada como se especifica en la reivindicación 7. En el presente documento se describe un procedimiento de formación de una fuerza adhesiva, que, sin embargo, se encuentra fuera del alcance de la invención. El procedimiento incluye las etapas de arrancar un pelillo de un espécimen vivo, fijar el pelillo a un sustrato, y aplicar el pelillo a una superficie, de forma que se establezca una fuerza adhesiva entre el sustrato y la superficie. According to the invention, there is provided a method as specified in claim 1, and a microstructure manufactured as specified in claim 7. A method of forming an adhesive force is described herein, which, however, is found out of the scope of the invention. The procedure includes the steps of tearing a hair from a live specimen, fixing the hair to a substrate, and applying the hair to a surface, so that an adhesive force is established between the substrate and the surface.

En el presente documento también se describe un procedimiento para establecer una microestructura adhesiva que, sin embargo, se encuentra fuera del alcance de la invención. El procedimiento incluye la etapa de aplicar un pelillo a una superficie con una fuerza perpendicular a la superficie. Entonces, se tracciona el pelillo con una fuerza paralela a la superficie, de forma que se precarga una fuerza adhesiva del pelillo. Also described herein is a process for establishing an adhesive microstructure that, however, is outside the scope of the invention. The procedure includes the step of applying a hair to a surface with a force perpendicular to the surface. Then, the hair is pulled with a force parallel to the surface, so that an adhesive force of the hair is preloaded.

La invención incluye un procedimiento para fabricar una microestructura adhesiva. La técnica de fabricación incluye fabricar un conjunto de fustes y luego formar espátulas en el conjunto de fustes, como se define en la reivindicación 1. The invention includes a process for manufacturing an adhesive microstructure. The manufacturing technique includes fabricating a shaft assembly and then forming spatulas in the shaft assembly, as defined in claim 1.

La invención también incluye una microestructura fabricada con un fuste que tiene una longitud inferior a 500 × 10-6 m (500 micrómetros). El fuste tiene un diámetro entre 0,01 y 0,1 veces la longitud del fuste. Se forma un conjunto de espátulas en un extremo del fuste. El conjunto de espátulas tiene una anchura inferior a 10 × 10-6 m (10 micrómetros). Cada espátula individual de las espátulas incluye un extremo terminal con una superficie extendida, tal como una paleta, un segmento curvado de una esfera, o un segmento aplanado de una esfera. The invention also includes a microstructure made of a shaft having a length of less than 500 × 10-6 m (500 micrometers). The shaft has a diameter between 0.01 and 0.1 times the length of the shaft. A set of spatulas is formed at one end of the shaft. The set of spatulas has a width of less than 10 × 10-6 m (10 micrometers). Each individual spatula of the spatulas includes a terminal end with an extended surface, such as a vane, a curved segment of a sphere, or a flattened segment of a sphere.

Para una mejor comprensión de la invención, se debería hacer referencia a la siguiente descripción detallada tomada en conjunto con los dibujos adjuntos, en los que: For a better understanding of the invention, reference should be made to the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:

La FIGURA 1 A ilustra operaciones de precarga. La FIGURA 1B ilustra filas de pelillos. La FIGURA 1C ilustra un único pelillo. La FIGURA 1D es una vista ampliada de un único pelillo. La FIGURA 1E es una vista ampliada de una única espátula de superficie extendida en un tallo de espátula, según una realización de la invención. La FIGURA 1F es una vista ampliada de una única espátula de superficie extendida en un tallo de espátula, según una realización de la invención. La FIGURA 1G ilustra un conjunto de espátulas formado en el extremo de un fuste para formar pelillos utilizado según la invención. FIGURE 1 A illustrates preload operations. FIGURE 1B illustrates rows of hairs. FIGURE 1C illustrates a single hair. FIGURE 1D is an enlarged view of a single hair. FIGURE 1E is an enlarged view of a single extended surface spatula in a spatula stem according to an embodiment of the invention. FIGURE 1F is an enlarged view of a single extended surface spatula in a spatula stem according to an embodiment of the invention. FIGURE 1G illustrates a set of spatulas formed at the end of a shaft for form hairs used according to the invention.

La FIGURA 1H ilustra un sistema para medir la fuerza adhesiva conseguida según la invención. La FIGURA 1I es otra ilustración de un sistema para medir la fuerza adhesiva conseguida según la invención. Las FIGURAS 2A-2B ilustran distintas fuerzas, como una función del tiempo, asociadas con la carga y la operación de adhesión de una estructura de la invención. La FIGURA 3 ilustra una fuerza de precarga perpendicular asociada con una realización de la invención. La FIGURA 4 ilustra una fuerza perpendicular durante la separación de una estructura utilizada según la invención. Las FIGURAS 5A-5C ilustran la fabricación de un conjunto de pelillos con estructuras de espátula según un procedimiento de fabricación de óxido/nitruro utilizado según una realización de la invención. Las FIGURAS 6A-6B ilustra la fabricación de un conjunto de pelillos según un procedimiento de fuente de excitación utilizado según una realización de la invención. La FIGURA 7 ilustra la fabricación de un conjunto de pelillos con estructuras de espátula según un procedimiento de tallo y de siembra utilizado según una realización de la invención. La FIGURA 8 ilustra la fabricación de una única espátula utilizando una micropipeta. La FIGURA 9 ilustra una herramienta de estampado utilizada para formar un molde de espátulas para ser utilizado según una realización de la invención. Las FIGURAS 10A-10D ilustran una autoconstrucción inducida de forma litográfica de espátulas según una realización de la invención. Las FIGURAS 11A-11B ilustran una técnica de nanoimpresión con rodillo que puede utilizarse para formar espátulas según una realización de la invención. La FIGURA 12 ilustra una técnica de fabricación de una sustancia fotoendurecible de dos capas que puede utilizarse según una realización de la invención. La FIGURA 13 ilustra un manipulador basado en pelillos que puede utilizarse según una realización de la invención. FIGURE 1H illustrates a system for measuring the adhesive force achieved according to the invention. FIGURE 1I is another illustration of a system for measuring the adhesive force achieved according to the invention. FIGURES 2A-2B illustrate different forces, as a function of time, associated with the loading and adhesion operation of a structure of the invention. FIGURE 3 illustrates a perpendicular preload force associated with an embodiment of the invention. FIGURE 4 illustrates a perpendicular force during separation of a structure used according to the invention. FIGURES 5A-5C illustrate the manufacture of a set of hairs with spatula structures according to an oxide / nitride manufacturing process used according to an embodiment of the invention. FIGURES 6A-6B illustrates the manufacture of a set of hairs according to an excitation source method used according to an embodiment of the invention. FIGURE 7 illustrates the manufacture of a set of hairs with spatula structures according to a stem and seeding method used according to an embodiment of the invention. FIGURE 8 illustrates the manufacture of a single spatula using a micropipette. FIGURE 9 illustrates a stamping tool used to form a spatula mold to be used according to an embodiment of the invention. FIGURES 10A-10D illustrate a lithographically induced self-construction of spatulas according to an embodiment of the invention. FIGURES 11A-11B illustrate a roller nanoprinting technique that can be used to form spatulas according to an embodiment of the invention. FIGURE 12 illustrates a technique of manufacturing a two-layer photocurable substance that can be used according to an embodiment of the invention. FIGURE 13 illustrates a hair-based manipulator that can be used according to an embodiment of the invention.

Los números similares de referencia hacen referencia a partes correspondientes en todos los dibujos. Similar reference numbers refer to corresponding parts in all drawings.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

La invención está dirigida hacia el uso de estructuras de escala micrométrica para conseguir una adhesión. En particular, la invención utiliza una estructura de pelillo. La estructura de pelillo tiene un fuste. Hay una espátula o un conjunto de espátulas colocados en el extremo del fuste. Se produce la adhesión según la espátula o el conjunto de espátulas un contacto íntimo con una superficie. The invention is directed towards the use of micrometric scale structures to achieve adhesion. In particular, the invention uses a hair structure. The hair structure has a shaft. There is a spatula or set of spatulas placed at the end of the shaft. Adhesion occurs according to the spatula or set of spatulas an intimate contact with a surface.

En general, el fuste tiene una longitud entre 1 × 10-6 m y 500 micrómetros), preferentemente In general, the shaft has a length between 1 × 10-6 m and 500 micrometers), preferably

10-6 10-6 10-6 10-6

una longitud entre aproximadamente 10 × m y 100 × m (10 a 100 micrómetros). Preferentemente, el diámetro del fuste es entre 0,01 y 0,1 veces la longitud del fuste, preferentemente aproximadamente 0,05 veces la longitud del fuste. a length between approximately 10 × m and 100 × m (10 to 100 micrometers). Preferably, the diameter of the shaft is between 0.01 and 0.1 times the length of the shaft, preferably about 0.05 times the length of the shaft.

El extremo terminal del fuste tiene al menos una espátula. Preferentemente, el extremo terminal del fuste tiene entre 1 y 1000 espátulas. Preferentemente, el conjunto de espátulas tiene una anchura inferior a 10 × 10-6 m (10 micrómetros), preferentemente una anchura de aproximadamente 1 × 10-6 m (1 micrómetro). Preferentemente, cada espátula del conjunto de espátulas tiene una superficie extendida en su extremo terminal. La superficie extendida puede tener la forma de una paleta o de un segmento curvado de una esfera, como se muestra a continuación. The terminal end of the shaft has at least one spatula. Preferably, the terminal end of the shaft has between 1 and 1000 spatulas. Preferably, the set of spatulas has a width of less than 10 × 10-6 m (10 micrometers), preferably a width of approximately 1 × 10-6 m (1 micrometer). Preferably, each spatula of the set of spatulas has an extended surface at its terminal end. The extended surface may be in the form of a vane or a curved segment of a sphere, as shown below.

La estructura de la invención está modelada a partir de estructuras halladas en la naturaleza, tal como el pelillo que se encuentra en los pies de un geco Tokay (Gekko gecko). Muchas especies de geco (por ejemplo, el clado Gekkonoidea), especies de Anolis, y varias especies de escincos tienen pelillos adhesivos que también pueden ser utilizados según la invención. Además, los escarabajos y los insectos besadores tienen pelillos que pueden ser utilizados según la invención. La invención se implementa con pelillos naturales o fabricados, como se expone a continuación. The structure of the invention is modeled from structures found in nature, such as the hair on the feet of a Tokay gecko (Gekko gecko). Many species of gecko (for example, the Gekkonoidea clade), Anolis species, and several species of escincos have adhesive hairs that can also be used according to the invention. In addition, beetles and kissing insects have hairs that can be used according to the invention. The invention is implemented with natural or manufactured hairs, as set forth below.

A continuación se muestran ejemplos de estructuras de pelillo halladas en la naturaleza. El pelillo de un geco Tokay tiene un diámetro del tallo (fuste) de 5 × 10-6 m (5 µ), una altura del tallo de 110 × 10-6 m (110 µ), una longitud de la punta (espátulas) de 0,2 × 10-6 m (0,2 µ), una anchura de la punta de 0,2 × 10-6 m (0,2 µ) y entre 100-1000 puntas, en las que el área total de las puntas por tallo es de 2 × 10-12 m (2 a 20 µ 2). El Anolis cuvieri tiene un diámetro del tallo de 0,5 × 10-6 m (0,5 µ), una altura del tallo de 22 × 10-6 m (22 µ), una longitud de punta de 0,6 × 10–6 m (0,6 µ), una anchura de punta de 0,7 × 10-6 m (0,7 µ), y entre 100-1000 puntas, en las Below are examples of hair structures found in nature. The hair of a Tokay gecko has a stem diameter (shaft) of 5 × 10-6 m (5 µ), a stem height of 110 × 10-6 m (110 µ), a tip length (spatulas) 0.2 × 10-6 m (0.2 µ), a tip width of 0.2 × 10-6 m (0.2 µ) and between 100-1000 points, in which the total area of the tips per stem is 2 × 10-12 m (2 to 20 µ 2). The Anolis cuvieri has a stem diameter of 0.5 × 10-6 m (0.5 µ), a stem height of 22 × 10-6 m (22 µ), a tip length of 0.6 × 10 –6 m (0.6 µ), a tip width of 0.7 × 10-6 m (0.7 µ), and between 100-1000 tips, in the

10-12 2 10-12 210-12 2 10-12 2

que el área total de las puntas por tallo es de 2 × m a20 × m (2a20 µ 2). El Prasinohaema virens (escinco) tiene un diámetro del tallo de 2 × 10-6 m (2 µ), una altura del tallo de 26 × 10-6 m (26 µ), una longitud de punta de 6 × 10-6 m (6 µ), una anchura de punta de 7 × 10-6 that the total area of the tips per stem is from 2 × m to 20 × m (2a20 µ 2). The Prasinohaema virens (escinco) has a stem diameter of 2 × 10-6 m (2 µ), a stem height of 26 × 10-6 m (26 µ), a tip length of 6 × 10-6 m (6 µ), a tip width of 7 × 10-6

m (7 µ), y entre 100-1000 puntas, en las que el área total de las puntas por tallo es de aproximadamente 20 × 10-12 m2 (20 µ 2). m (7 µ), and between 100-1000 tips, in which the total area of the tips per stem is approximately 20 × 10-12 m2 (20 µ 2).

A modo de ejemplo que, sin embargo, se encuentra fuera del alcance de la invención. La Figura 1A ilustra un geco Tokay 20 con terminaciones 21 de las extremidades que tienen pelillos que se dan de forma natural. Se inmoviliza al geco vivo 20. Se la extirpa la capa cuticular de una porción de una terminación de una extremidad (por ejemplo, un dedo) 21. Esta operación, análoga a cortar el pelo, permite que el geco regenere sus pelillos sin sufrir daño. Se ha demostrado que se pueden recolectar cientos o miles de pelillos sin sacrificar el ser vivo del que se extirpan los pelillos. By way of example, however, it is outside the scope of the invention. Figure 1A illustrates a Tokay gecko 20 with endings 21 of the limbs having naturally occurring hairs. The live gecko is immobilized 20. The cuticular layer is removed from a portion of a limb termination (for example, a finger) 21. This operation, analogous to cutting the hair, allows the gecko to regenerate its hairs without being damaged . It has been shown that hundreds or thousands of hairs can be collected without sacrificing the living being from which the hairs are removed.

Después de la extirpación, se raspa la superficie cuticular para desprender pelillos individuales, preferentemente en la base del fuste del pelillo. La Figura 1B ilustra filas 22 de pelillos asociadas con el geco 20. La Figura 1C ilustra el fuste 24 de un único pelillo 26. La figura también ilustra las espátulas 28 colocadas en el extremo del fuste 24. After removal, the cuticular surface is scraped to release individual hairs, preferably at the base of the hair shaft. Figure 1B illustrates rows 22 of hairs associated with gecko 20. Figure 1C illustrates the shaft 24 of a single hairpiece 26. The figure also illustrates the spatulas 28 placed at the end of the shaft 24.

La Figura 1D es una vista ampliada de un único pelillo 26. La figura ilustra que el fuste 24 es aproximadamente perpendicular a la espátulas 28. Figure 1D is an enlarged view of a single hair 26. The figure illustrates that the shaft 24 is approximately perpendicular to the spatulas 28.

La Figura 1E es una vista ampliada de una única espátula 29 en un tallo 30 de espátula. El tallo 30 de la espátula puede ser el fuste 24 o un zarcillo aparte que se extiende desde el fuste Figure 1E is an enlarged view of a single spatula 29 on a spatula stem 30. The stem 30 of the spatula may be the shaft 24 or a separate tendril that extends from the shaft

24. Preferentemente, cada espátula 29 tiene una superficie extendida. En la Figura 1E, la superficie extendida tiene forma de una estructura de paleta. En la Figura 1F, la superficie extendida tiene forma de esfera. La Figura 1G es una vista ampliada de un conjunto de espátulas 28. 24. Preferably, each spatula 29 has an extended surface. In Figure 1E, the extended surface is shaped like a vane structure. In Figure 1F, the extended surface is shaped like a sphere. Figure 1G is an enlarged view of a set of spatulas 28.

La realización de grandes fuerzas adhesivas por medio de los pelillos depende de operaciones de precarga llevadas a cabo según la invención. La separación de los pelillos se produce a un ángulo característico, como se especifica según la invención. La Figura 1H ilustra un sustrato (es decir, un sensor 32) que se utilizó para clasificar estas fuerzas. La Figura 1I ilustra el ángulo característico (α) para separar pelillos de la invención. El ángulo característico (α) está formado entre el pelillo 26 y una superficie 40 a la que está fijado el pelillo. The realization of large adhesive forces by means of the hairs depends on preload operations carried out according to the invention. The separation of the hairs occurs at a characteristic angle, as specified according to the invention. Figure 1H illustrates a substrate (ie, a sensor 32) that was used to classify these forces. Figure 1I illustrates the characteristic angle (α) for separating hairs of the invention. The characteristic angle (α) is formed between the hair 26 and a surface 40 to which the hair is fixed.

Los inventores han identificado que la fuerza adhesiva de un pelillo depende de su orientación tridimensional (espátulas orientadas hacia la superficie, o alejándose de la misma) y el grado hasta el que se precarga el pelillo (presionado contra la superficie, y traccionado a lo largo de la misma) durante el contacto inicial. Poner en contacto la superficie con el pelillo en una dirección distinta que con las espátulas proyectándose hacia la superficie tuvo como The inventors have identified that the adhesive force of a hair depends on its three-dimensional orientation (spatulas oriented towards the surface, or moving away from it) and the degree to which the hair is preloaded (pressed against the surface, and pulled along of it) during initial contact. Putting the surface in contact with the hair in a different direction than with the spatulas projecting towards the surface had as

10-6 10-6

resultado fuerzas inferiores que (0,3 × N (0,3 µN)) cuando se retira el pelillo de forma perpendicular a la superficie. Una tracción paralela a la superficie mostró que la fuerza producida por la región inactiva sin forma de espátula aumentó con una fuerza normal o perpendicular, lo que es típico de un material con un coeficiente de fricción igual a 0,2. En cambio, cuando se proyectaba la región activa con forma de espátula hacia la superficie, la fuerza aumentó entre 20 y 60 veces. La fuerza resultante de traccionar el pelillo en paralelo a la superficie durante la fijación aumentó cuando se empujaron en primer lugar los pelillos hacia la superficie, proporcionando una fuerza de precarga perpendicular. No se necesita mantener esta fuerza perpendicular inicial durante la tracción subsiguiente. La fuerza de los pelillos paralela a la superficie aumentó de forma lineal con la fuerza de precarga perpendicular. results lower forces than (0.3 × N (0.3 µN)) when the hair is removed perpendicular to the surface. A traction parallel to the surface showed that the force produced by the inactive region without a spatula shape increased with a normal or perpendicular force, which is typical of a material with a coefficient of friction equal to 0.2. On the other hand, when the active region was projected as a spatula towards the surface, the force increased between 20 and 60 times. The force resulting from pulling the hair parallel to the surface during fixation increased when the hairs were first pushed toward the surface, providing a perpendicular preload force. It is not necessary to maintain this initial perpendicular force during subsequent traction. The force of the hairs parallel to the surface increased linearly with the perpendicular preload force.

Los experimentos en los que se retira el pelillo de la superficie de un alambre demostraron que la precarga perpendicular por sí sola es insuficiente para evitar que el pelillo sea desplazado fácilmente. Los pelillos que fueron presionados en primer lugar contra la superficie y fueron traccionados a continuación en paralelo a la misma desarrollaron más de diez veces la fuerza (13,6 × 10-6 N (13,6 µN) ± 2,6 DT; N = 17) tras ser retirados de la superficie que los que solo tenían una precarga perpendicular (0,6 × 10-6 N (0,6 µN) ± 0,7 DT; N = 17). Se observaron las mayores fuerzas paralelas únicamente después de unos pocos micrómetros de deslizamiento. Los resultados de precarga en la producción de fuerza de los pelillos sugieren que puede ser necesaria una pequeña fuerza de precarga perpendicular en concierto con un desplazamiento hacia atrás o una precarga paralela para “activar” la adhesión. Se cree que la precarga aumenta el número de espátulas que hacen contacto con la superficie. Experiments in which the hair is removed from the surface of a wire showed that perpendicular preload alone is insufficient to prevent the hair from being easily displaced. The hairs that were pressed first against the surface and then pulled in parallel to it developed more than ten times the force (13.6 × 10-6 N (13.6 µN) ± 2.6 DT; N = 17) after being removed from the surface than those that only had perpendicular preload (0.6 × 10-6 N (0.6 µN) ± 0.7 DT; N = 17). The greatest parallel forces were observed only after a few sliding micrometers. Preload results in the production of force of the hairs suggest that a small perpendicular preload force may be necessary in concert with a backward displacement or a parallel preload to "activate" adhesion. It is believed that preload increases the number of spatulas that make contact with the surface.

También es importante la orientación de los pelillos en la separación. La fuerza producida cuando se retiró un pelillo de la superficie no fue significativamente distinta de la fuerza medida durante una tracción paralela a la superficie si se le dio la misma precarga perpendicular. Sin embargo, se ha identificado que los pelillos se separan con un ángulo (30,6°± 1,8 DT; N = 17) y fuerza similares cuando se retiran de la superficie del sensor. Para comprobar la preferencia de un ángulo crítico de separación, se mantuvo constante la fuerza perpendicular, mientras que se aumentó de forma progresiva el ángulo de los pelillos hasta la separación. El ángulo de los pelillos en la separación cambió únicamente un 15% en un intervalo de fuerzas perpendiculares. Por lo tanto, la invención utiliza un ángulo de separación de entre 35° y 25°, preferentemente aproximadamente 30°. Los valores de los ángulos de separación están basados en la estructura de pelillo dada a conocer en la que el fuste del pelillo es aproximadamente perpendicular a la superficie con forma de espátula, como se muestra en la Figura 1D. El cambio en la orientación de los pelillos y quizás incluso la geometría de las espátulas pueden facilitar la separación. The orientation of the hairs in the separation is also important. The force produced when a hair was removed from the surface was not significantly different from the force measured during traction parallel to the surface if it was given the same perpendicular preload. However, it has been identified that the hairs are separated with a similar angle (30.6 ° ± 1.8 DT; N = 17) and force when removed from the sensor surface. To check the preference of a critical angle of separation, the perpendicular force was kept constant, while the angle of the hairs was progressively increased until the separation. The angle of the hairs in the separation changed only 15% in a range of perpendicular forces. Therefore, the invention uses a separation angle between 35 ° and 25 °, preferably approximately 30 °. The values of the separation angles are based on the hair structure disclosed in which the hair shaft is approximately perpendicular to the spatula-shaped surface, as shown in Figure 1D. The change in the orientation of the hairs and perhaps even the geometry of the spatulas can facilitate separation.

El pie de un geco Tokay (Gekko gecko) tiene aproximadamente 5000 pelillos mm-2 y puede producir 10 N de fuerza adhesiva con aproximadamente 100 mm2 de área de almohadilla. Por lo tanto, cada pelillo debería producir una fuerza media de 20 µN y un esfuerzo medio de 0,1 N mm -2 (~ 101,33 kPa). Las magnitudes reales son probablemente mayores, dado que es improbable que todos los pelillos se adhieran simultáneamente. The foot of a Tokay gecko (Gekko gecko) has approximately 5000 mm-2 hairs and can produce 10 N of adhesive force with approximately 100 mm2 of pad area. Therefore, each hair should produce an average force of 20 µN and an average stress of 0.1 N mm -2 (~ 101.33 kPa). The actual magnitudes are probably greater, since it is unlikely that all the hairs will adhere simultaneously.

La anterior información se aprecia más completamente en conexión con operaciones específicas llevadas a cabo según la invención. Se pega un pelillo aislado, fijado por medio de la técnica expuesta anteriormente, a un sustrato (por ejemplo, al extremo de un alfiler para insectos del nº 2) con epoxi (por ejemplo, 5-MINUTE EPOXY, comercializado por TTWDevcon, Danvars, Massachussetts, EE. UU.). El alfiler tenía un diámetro de 15 µm. Para evitar que el epoxi ascienda por el tallo del pelillo, que puede cambiar la propiedad mecánica del espécimen, preferentemente se endurece previamente el epoxi durante 1 minuto antes de aplicarlo al espécimen. Todos los pelillos estaban orientados de forma que la superficie activa era aproximadamente perpendicular al eje del alfiler. Se completaron todas las preparaciones bajo un microscopio compuesto. The above information is more fully appreciated in connection with specific operations carried out according to the invention. An insulated hair is attached, fixed by means of the technique set forth above, to a substrate (for example, at the end of an insect pin No. 2) with epoxy (for example, 5-MINUTE EPOXY, marketed by TTWDevcon, Danvars, Massachusetts, USA). The pin had a diameter of 15 µm. To prevent the epoxy from ascending through the hair shaft, which can change the mechanical property of the specimen, preferably the epoxy is first hardened for 1 minute before applying it to the specimen. All hairs were oriented so that the active surface was approximately perpendicular to the pin axis. All preparations were completed under a compound microscope.

Se midió la producción de la fuerza mediante un único pelillo aislado durante la fijación utilizando un sensor piezorresistivo micromecanizado 32 de doble eje del tipo ilustrado en la Figura 1H. La siguiente exposición proporciona información con respecto al sensor 32. La patente U.S. 5.959.200 describe un sensor del tipo descrito en el presente documento. El sensor 32 no forma parte de la invención, más bien se utiliza simplemente para obtener los resultados de rendimiento descritos a continuación. Force production was measured by a single insulated hair during fixation using a micromechanized dual-axis piezoresistive sensor 32 of the type illustrated in Figure 1H. The following exposure provides information regarding sensor 32. U.S. Pat. 5,959,200 describes a sensor of the type described herein. Sensor 32 is not part of the invention, rather it is simply used to obtain the performance results described below.

Se fabricó el sensor 32 con voladizos de la Figura 1H en una oblea de silicio monocristalino. El voladizo 32 tiene dos sensores independientes de fuerza, cada uno con una dirección predominante de conformidad. El sensor de fuerza perpendicular consiste en una sonda triangular fina 50. El sensor de fuerza paralela está compuesto de cuatro varillas alargadas delgadas 52. Una implantación iónica especial oblicua a 45° permitió que se implantasen regiones piezorresistivas y conductoras a la vez tanto en las superficies paralelas como en las perpendiculares. Las fuerzas aplicadas sobre la punta del sensor se resolvieron en estas dos direcciones ortogonales (paralela y perpendicular), y fueron medidas por medio de los cambios en la resistencia de los piezorresistencias. Dado que se diseñó originalmente este dispositivo para aplicaciones de almacenamiento de datos de un microscopio de fuerza atómica, cada uno de estos dispositivos con voladizo tenía una punta afilada cerca del vértice de su sonda triangular. Para la medición de la adhesión de los pelillos del geco, se utilizó el lado trasero de este dispositivo para proporcionar una superficie lisa para la adhesión de los pelillos. The sensor 32 was made with cantilevers of Figure 1H in a monocrystalline silicon wafer. Cantilever 32 has two independent force sensors, each with a predominant direction of conformity. The perpendicular force sensor consists of a thin triangular probe 50. The parallel force sensor is composed of four thin elongated rods 52. A special ionic implant oblique at 45 ° allowed both piezoresistive and conductive regions to be implanted at the same time both on the surfaces parallel as in perpendicular. The forces applied on the sensor tip were resolved in these two orthogonal directions (parallel and perpendicular), and were measured by means of changes in resistance of the piezoresistors. Since this device was originally designed for data storage applications of an atomic force microscope, each of these cantilevered devices had a sharp point near the apex of its triangular probe. For the measurement of the adhesion of the gecko hairs, the back side of this device was used to provide a smooth surface for the adhesion of the hairs.

Se puso en contacto cada pelillo 26 con el sensor 32 al aplicar una pequeña precarga perpendicular a la superficie para aumentar el contacto e inducir la adhesión. Para determinar el efecto de la fuerza de precarga sobre una fuerza paralela submáxima, se varió la fuerza de precarga cuando estaban fijados los pelillos a la punta del sensor, como se muestra en la Figura 3, que se expone a continuación. Para medir la máxima fuerza paralela, se utilizó la base de la sonda triangular. El uso de la base aumentó el área de contacto, pero no permitió una medición simultánea de las fuerzas de precarga. Se tomaron señales del sensor mientras se traccionaba el pelillo en paralelo a la superficie por medio de un manipulador piezoeléctrico a una velocidad de ~ 5 µm seg -1. Se amplificaron las señales del sensor y fueron filtradas a través de un filtro de paso bajo de 300-Hz, y luego fueron digitalizadas a 100 Hz utilizando una tarjeta de 16-bit de adquisición de datos (LabView™ en un PC). Se convirtieron los datos recogidos (en voltios) en deflexiones del sensor por medio de constantes de calibración, y se multiplicaron por la rigidez del voladizo para obtener los valores de la fuerza. Each hair 26 was contacted with the sensor 32 by applying a small preload perpendicular to the surface to increase contact and induce adhesion. To determine the effect of the preload force on a submaximal parallel force, the preload force was varied when the hairs were attached to the tip of the sensor, as shown in Figure 3, which is set forth below. To measure the maximum parallel force, the base of the triangular probe was used. The use of the base increased the contact area, but did not allow a simultaneous measurement of the preload forces. Sensor signals were taken while the hair was pulled parallel to the surface by means of a piezo manipulator at a speed of ~ 5 µm sec -1. The sensor signals were amplified and filtered through a 300-Hz low pass filter, and then digitized at 100 Hz using a 16-bit data acquisition card (LabView ™ on a PC). The collected data (in volts) were converted into sensor deflections by means of calibration constants, and multiplied by the cantilever stiffness to obtain the force values.

Se definió la fuerza de desprendimiento o de separación como la máxima fuerza que podía ejercer un pelillo perpendicular, o normal, a una superficie inmediatamente antes de que se suelte. Se determinó este valor para un pelillo individual al medir la cantidad que podía desplazar un medidor de fuerza fabricado de un hilo de unión de aluminio de 4,7 mm con un diámetro nominal de 25 µm (American Fine Wire Corp., Selma, Alabama, EE. UU.; se muestra el alambre 40 en la Figura 11). Para maximizar el área de contacto de la superficie activa del pelillo con el alambre, se aplana una sección de 50 µm × 100 µm de la punta del alambre. Se fijó el extremo proximal del alambre con epoxi a una sonda de latón. Se presionó la superficie activa del pelillo contra el alambre aplanado, produciendo una precarga perpendicular conocida (1,6 ± 0,25 µN; media ± DT). Se midió la fuerza utilizando dos procedimientos distintos de separación: (1) se traccionó el pelillo normal al alambre; y (2) se desplazó el alfiler para insectos 19,7 ± 3,45 µm a lo largo del alambre para producir una precarga paralela adicional sobre el pelillo antes de traccionar de forma perpendicular o normal al alambre. The detachment or separation force was defined as the maximum force that a perpendicular, or normal, hair could exert on a surface immediately before it is released. This value was determined for an individual hair by measuring the amount that could be displaced by a force meter made of a 4.7 mm aluminum joint wire with a nominal diameter of 25 µm (American Fine Wire Corp., Selma, Alabama, U.S.; wire 40 is shown in Figure 11). To maximize the contact area of the active surface of the hair with the wire, a 50 µm × 100 µm section of the wire tip is flattened. The proximal end of the epoxy wire was attached to a brass probe. The active surface of the hair was pressed against the flattened wire, producing a known perpendicular preload (1.6 ± 0.25 µN; mean ± SD). The force was measured using two different separation procedures: (1) the normal hair was pulled to the wire; and (2) the insect pin 19.7 ± 3.45 µm was moved along the wire to produce an additional parallel preload on the hair before traction perpendicular or normal to the wire.

En todas las pruebas, se calculó la fuerza de separación a partir del desplazamiento máximo del alambre traccionado por el pelillo. Se registraron todas las secuencias con una cámara de vídeo (por ejemplo, una cámara CCD comercializada por SONY) y se digitalizaron en un ordenador (por ejemplo, un APPLE MACINTOSH) utilizando un sistema de edición de vídeo (por ejemplo, de MEDIA 100 Inc., Marlboro, Massachussetts, EE. UU.). Se registraron la posición inicial del alambre, el ángulo del pelillo con respecto al alambre y la posición del alambre en el punto de la separación y se analizaron utilizando software de análisis de imágenes (por ejemplo, el software de NIH-Image). Se convirtió la cantidad de deflexión en el medidor de fuerza a fuerza de adhesión después de que se calibró el medidor de fuerza con pesos estándar. In all tests, the separation force was calculated from the maximum displacement of the wire pulled by the hair. All sequences were recorded with a video camera (for example, a CCD camera marketed by SONY) and digitized on a computer (for example, an APPLE MACINTOSH) using a video editing system (for example, MEDIA 100 Inc ., Marlboro, Massachusetts, USA). The initial position of the wire, the angle of the hair with respect to the wire and the position of the wire at the point of separation were recorded and analyzed using image analysis software (eg, NIH-Image software). The amount of deflection in the force to adhesion meter was converted after the force meter was calibrated with standard weights.

En las Figuras 2-4 se muestran los resultados de estas operaciones. La Figura 2A ilustra las fuerzas asociadas con una precarga perpendicular y una tracción paralela subsiguiente llevada a cabo según la invención. Como se muestra en la Figura 2A, la fuerza adhesiva paralela a la superficie aumentó de forma lineal hasta que el pelillo comenzó a deslizarse del borde del sensor en un tiempo ts. Si se permitía que el pelillo se deslizase aproximadamente 5 µm a lo largo de la superficie del sensor, una distancia imperceptible al nivel del pie, la fuerza adhesiva continuaba aumentando, como se muestra en la Figura 2B. La máxima fuerza adhesiva del único pelillo tuvo una media de 194 × 10-6 N (194 µN) ± 25 DT (N = 28), casi 10 veces más de lo predicho de estimaciones de todo el animal. The results of these operations are shown in Figures 2-4. Figure 2A illustrates the forces associated with a perpendicular preload and subsequent parallel traction carried out according to the invention. As shown in Figure 2A, the adhesive force parallel to the surface increased linearly until the hair began to slide off the edge of the sensor at a time ts. If the hair was allowed to slide approximately 5 µm along the surface of the sensor, a distance imperceptible to the level of the foot, the adhesive force continued to increase, as shown in Figure 2B. The maximum adhesive strength of the single hair had an average of 194 × 10-6 N (194 µN) ± 25 DT (N = 28), almost 10 times more than predicted estimates of the whole animal.

Las mediciones de la fuerza de un único pelillo sugieren que si todos los pelillos estuviesen fijados de forma simultánea y de forma máxima, un único pie de un geco podría producir 100 N de fuerza adhesiva (-10 arm). Dicho de otra forma, el pie de un geco podría generar una fuerza máxima observada (10 N) con únicamente un 10% de sus pelillos fijados de forma máxima. Measurements of the strength of a single hair suggest that if all the hairs were fixed simultaneously and maximally, a single foot of a gecko could produce 100 N of adhesive force (-10 arm). In other words, the foot of a gecko could generate an observed maximum force (10 N) with only 10% of its hairs fixed at maximum.

No se pudo predecir la fuerza máxima desarrollada por un pelillo dado únicamente a partir de interacciones moleculares o de una anatomía microscópica. La fuerza de los pelillos dependió de su orientación tridimensional (espátulas orientadas hacia la superficie, o alejándose de la misma) y el grado con el que el pelo estaba precargado (es decir, presionado y traccionado a lo largo de la superficie) durante el contacto inicial. Poner el pelillo en contacto con la superficie en una dirección distinta a la de las espátulas proyectándose hacia la superficie tuvo como The maximum force developed by a given hair could not be predicted solely from molecular interactions or from a microscopic anatomy. The strength of the hairs depended on their three-dimensional orientation (spatulas oriented towards the surface, or moving away from it) and the degree to which the hair was preloaded (i.e. pressed and pulled along the surface) during contact initial. Putting the hair in contact with the surface in a direction different from that of the spatulas projecting towards the surface had as

10-6 10-6

resultado fuerzas inferiores a 0,3 × N (0,3 µN) cuando se traccionó el pelillo de forma perpendicular a la superficie. Una tracción paralela a la superficie mostró que la fuerza producida por la región inactiva sin forma de espátula aumentó con una fuerza normal o perpendicular, lo que es típico de un material con un coeficiente de fricción igual a 0,25, véase la Figura 3. En cambio, cuando se proyectaba la región activa con forma de espátula hacia la superficie, la fuerza aumentaba entre 20 y 60 veces. La fuerza resultante de la tracción del pelillo de forma paralela a la superficie durante la fijación aumentó cuando se presionó primero los pelillos contra la superficie, proporcionando una fuerza de precarga perpendicular, mostrada en la Figura 2A. No se necesita mantener esta fuerza perpendicular inicial durante la tracción subsiguiente. La fuerza de los pelillos paralela a la superficie aumentó de forma lineal con la fuerza de precarga perpendicular, como se muestra en la Figura 3. Los experimentos en los que se retiraron los pelillos de una superficie (por ejemplo, la superficie 40, un alambre en la Figura 1F) demostraron que la precarga perpendicular por sí solo es insuficiente para evitar que los pelillos sean desplazados fácilmente. Los pelillos que fueron presionados en primer lugar contra la superficie y fueron traccionados de forma paralela a la misma luego desarrollaron más de diez veces la fuerza (13,6 × 10-6 N (13,6 µN) ± 2,6 DT; N = 17) tras ser retirados de la superficie que los que solo tenían una precarga perpendicular (0,6 × 10-6 N (0,6 µN) ± 0,7 DT; N = 17). Se observaron las mayores fuerzas paralelas únicamente después de unos pocos micrómetros de deslizamiento, como se muestra en la Figura 2B. forces below 0.3 × N (0.3 µN) resulted when the hair was pulled perpendicular to the surface. Traction parallel to the surface showed that the force produced by the inactive region without a spatula shaped increased with a normal or perpendicular force, which is typical of a material with a coefficient of friction equal to 0.25, see Figure 3. On the other hand, when the active region was projected as a spatula towards the surface, the force increased between 20 and 60 times. The force resulting from pulling the hair parallel to the surface during fixation increased when the hairs were first pressed against the surface, providing a perpendicular preload force, shown in Figure 2A. It is not necessary to maintain this initial perpendicular force during subsequent traction. The force of the hairs parallel to the surface increased linearly with the perpendicular preload force, as shown in Figure 3. Experiments in which hairs were removed from a surface (for example, surface 40, a wire in Figure 1F) they demonstrated that perpendicular preload alone is insufficient to prevent the hairs from being easily displaced. The hairs that were pressed first against the surface and were pulled parallel to it then developed more than ten times the force (13.6 × 10-6 N (13.6 µN) ± 2.6 DT; N = 17) after being removed from the surface than those that only had perpendicular preload (0.6 × 10-6 N (0.6 µN) ± 0.7 DT; N = 17). The greatest parallel forces were observed only after a few sliding micrometers, as shown in Figure 2B.

Los resultados de la precarga en la producción de fuerza de los pelillos apoyan la hipótesis de que pueden ser necesarias una fuerza pequeña de precarga perpendicular en concierto con un desplazamiento hacia atrás, o una precarga paralela para “activar” la adhesión. Dado que las puntas de los pelillos están dirigidas hacia atrás, alejándose de la uña, la precarga puede aumentar el número de espátulas que hacen contacto con la superficie. The results of the preload in the production of force of the hairs support the hypothesis that a small perpendicular preload force may be necessary in concert with a backward movement, or a parallel preload to "activate" the adhesion. Since the tips of the hairs are directed backwards, away from the nail, the preload can increase the number of spatulas that make contact with the surface.

También parece que la orientación de los pelillos es importante en la separación durante la locomoción. La fuerza producida cuando se retiró un pelillo de la superficie no fue significativamente distinta de la fuerza medida durante una tracción paralela a la superficie si se le dio una precarga perpendicular. Sin embargo, se identificó que los pelillos separados con un ángulo similar (30,6°± 1,8 DT; N = 17) cuando son retirados de la superficie del sensor del alambre. Para comprobar la presencia de un ángulo crítico de separación, se mantuvo constante la fuerza perpendicular, mientras que se aumentó de forma progresiva el ángulo de los pelillos (α; Figura 1F) hasta la separación. El ángulo de los pelillos en la separación varió únicamente un 15% en un intervalo de fuerzas perpendiculares, como se muestra en la Figura It also seems that the orientation of the hairs is important in the separation during locomotion. The force produced when a hair was removed from the surface was not significantly different from the force measured during traction parallel to the surface if it was given perpendicular preload. However, it was identified that the hairs separated with a similar angle (30.6 ° ± 1.8 DT; N = 17) when removed from the surface of the wire sensor. To verify the presence of a critical angle of separation, the perpendicular force was kept constant, while the angle of the hairs (α; Figure 1F) was progressively increased until separation. The angle of the hairs in the separation varied only 15% in a range of perpendicular forces, as shown in Figure

4. Esta observación concuerda con un modelo adhesivo en el que se detiene el deslizamiento cuando se tracciona a más del ángulo crítico de los pelillos y, por lo tanto, el esfuerzo puede aumentar en un límite, provocando el desprendimiento del contacto. El cambio en la orientación de los pelillos y quizás incluso la geometría de las espátulas pueden facilitar la separación. 4. This observation is consistent with an adhesive model in which the sliding stops when it is pulled more than the critical angle of the hairs and, therefore, the effort may increase by a limit, causing the detachment of the contact. The change in the orientation of the hairs and perhaps even the geometry of the spatulas can facilitate separation.

Es conocido que los gecos retraen las puntas de sus dedos de una superficie lisa cuando corren. La retracción de los dedos puede tener dos efectos. En primer lugar, puede colocar un pelillo individual en una orientación o a un ángulo crítico que ayuda en su liberación. En segundo lugar, la retracción de los dedos concentró la fuerza de separación únicamente en un pequeño subconjunto de todos los pelillos fijados en cualquier instante. El comportamiento de la retracción de los dedos es análogo a la técnica utilizada por los seres humanos de arrancar un trozo de cinta de una superficie. It is known that geckos retract the tips of their fingers from a smooth surface when they run. Retraction of the fingers can have two effects. First, you can place an individual hair in an orientation or at a critical angle that helps in its release. Second, the retraction of the fingers concentrated the separation force only on a small subset of all the fixed hairs at any time. The behavior of finger retraction is analogous to the technique used by humans to tear a piece of tape from a surface.

Las mediciones directas de la fuerza de los pelillos concuerdan con la hipótesis de que la adhesión en los gecos es el resultado de fuerzas intermoleculares. Los modelos sencillos disponibles solo pueden dar las estimaciones más aproximadas de la producción de fuerza de los pelillos. Si se supone que la punta de una espátula es un segmento curvado de una esfera (radio, R = 2 µm) y está separado por una pequeña distancia de una superficie plana grande en la que las fuerzas de van der Waals se vuelven significativas (distancia de separación atómica, D = 0,3 nm), entonces la fuerza de los pelillos = AR / 6D2, en la que A es la constante de Direct measurements of hair strength are consistent with the hypothesis that adhesion in geckos is the result of intermolecular forces. The simple models available can only give the most approximate estimates of the strength production of the hairs. If the tip of a spatula is supposed to be a curved segment of a sphere (radius, R = 2 µm) and is separated by a small distance from a large flat surface where van der Waals forces become significant (distance of atomic separation, D = 0.3 nm), then the strength of the hairs = AR / 6D2, in which A is the constant of

J10J10

Hamaker que depende del material que se toma como 10-19 . Esta estimación postula que la fuerza de van der Waals para una espátula es de aproximadamente 0,4 µN. Dado que el número de espátulas por pelillo varía entre 100 y 1000, las estimaciones de fuerza de los pelillos varían entre 40 × 10-6 N y400 × 10-6 N (40 a 400 µN). Hamaker that depends on the material that is taken as 10-19. This estimate postulates that the van der Waals force for a spatula is approximately 0.4 µN. Since the number of spatulas per hair varies between 100 and 1000, the estimates of strength of the hairs vary between 40 × 10-6 N and 400 × 10-6 N (40 to 400 µN).

El anterior apoyo experimental para la hipótesis de van der Waals proviene de la observación de que la fuerza adhesiva de un geco en su conjunto aumenta con el aumento de la energía superficial del sustrato. Además, se ha intentado el rechazo de mecanismos alternativos tal como la succión, la electrostática, la fricción, el microenclavamiento, y la adhesión en mojado. Los experimentos de adhesión llevados a cabo en un vacío y las mediciones dadas a conocer de más de 101,33 kPa de presión de adhesión sugieren de forma incisiva que la succión no está implicada. Los experimentos que utilizan un bombardeo de rayos X eliminan la atracción electrostática como un mecanismo necesario para la adhesión de los pelillos, dado que los pelillos siguen pudiendo adherirse en aire ionizado. El microenclavamiento podría funcionar como un mecanismo secundario, pero la capacidad de los gecos para adherirse a vidrio pulido muestra que no son necesarias las irregularidades de la escala de las espátulas para la adhesión. Los hallazgos del presente documento no apoyan un mecanismo de fricción porque la superficie del voladizo es lisa (aspereza superficial inferior o igual a 2,5 × 10-9 m (2,5 nm) y el coeficiente de rozamiento de la queratina de los pelillos en el silicio es bajo (µ = 0,25; Fig. 3; línea discontinua). No es probable que la adhesión capilar o el adhesivo sean mecanismos, dado que no hay presentes glándulas cutáneas en los pies de los lagartos. El mecanismo de adhesión puede involucrar una capa fina de agua, o de moléculas de agua adsorbidas en el pelillo y/o en el sustrato. The previous experimental support for the van der Waals hypothesis comes from the observation that the adhesive strength of a geck as a whole increases with increasing surface energy of the substrate. In addition, rejection of alternative mechanisms such as suction, electrostatics, friction, micro locking, and wet adhesion has been attempted. Adhesion experiments carried out in a vacuum and the disclosed measurements of more than 101.33 kPa of adhesion pressure suggest incisively that suction is not involved. Experiments using an X-ray bombardment eliminate electrostatic attraction as a necessary mechanism for the adhesion of the hairs, since the hairs can still adhere in ionized air. Micro latching could work as a secondary mechanism, but the ability of geckos to adhere to polished glass shows that irregularities of the scale of the spatulas are not necessary for adhesion. The findings of this document do not support a friction mechanism because the surface of the cantilever is smooth (surface roughness less than or equal to 2.5 × 10-9 m (2.5 nm) and the coefficient of friction of the keratin of the hairs in silicon it is low (µ = 0.25; Fig. 3; dashed line). Capillary adhesion or adhesive is not likely to be mechanisms, since no skin glands are present at the feet of lizards. Adhesion may involve a thin layer of water, or adsorbed water molecules on the hair and / or the substrate.

Las fuerzas de van der Waals son sumamente débiles en separaciones mayores que la distancia atómica, y requieren un contacto íntimo entre el adhesivo y la superficie. Los adhesivos poliméricos tales como la cinta son blandos, y son capaces de deformarse lo suficiente para un contacto íntimo sobre un área superficial relativamente grande. Los pies de un geco Tokay (Gekko gecko) contienen aproximadamente mil millones de espátulas que parece que proporcionan un área superficial lo suficientemente grande en contacto estrecho con el sustrato para que la adhesión sea el resultado de fuerzas de van der Waals. Van der Waals forces are extremely weak at separations greater than atomic distance, and require intimate contact between the adhesive and the surface. Polymeric adhesives such as tape are soft, and are capable of deforming enough for intimate contact over a relatively large surface area. The feet of a Tokay gecko (Gekko gecko) contain approximately one billion spatulas that appear to provide a sufficiently large surface area in close contact with the substrate so that adhesion is the result of van der Waals forces.

Como se ha indicado anteriormente, la invención puede utilizarse con pelillos recolectados de un espécimen vivo. De forma alternativa, las técnicas de la invención pueden utilizarse en conexión con pelillos fabricados. Los expertos en la técnica reconocerán un número de técnicas que pueden ser utilizadas para fabricar pelillos según la invención. Por ejemplo, los dispositivos pueden fabricarse por medio de un procedimiento de óxido/nitruro, como se muestra en las Figuras 5A-5C. As indicated above, the invention can be used with hairs collected from a live specimen. Alternatively, the techniques of the invention can be used in connection with manufactured hairs. Those skilled in the art will recognize a number of techniques that can be used to make hairs according to the invention. For example, the devices can be manufactured by means of an oxide / nitride process, as shown in Figures 5A-5C.

Inicialmente, se decapa una muesca en un sustrato semiconductor. La Figura 5A ilustra una muesca 101 formada en un sustrato semiconductor 100. Entonces, se depositan las capas de nitruro y de óxido sobre el sustrato 100. La Figura 5A ilustra una capa 102 de nitruro y una capa 104 de óxido. Entonces, se moldea y se decapa la superficie, lo que tiene como resultado en la estructura de la Figura 5B. Initially, a notch is stripped on a semiconductor substrate. Figure 5A illustrates a notch 101 formed in a semiconductor substrate 100. Then, the nitride and oxide layers are deposited on the substrate 100. Figure 5A illustrates a layer 102 of nitride and a layer 104 of oxide. Then, the surface is molded and stripped, which results in the structure of Figure 5B.

Después, se decapa el sustrato subyacente 100, lo que tiene como resultado una cavidad 106, como se muestra en la Figura 5C. En este punto, la diferencia en esfuerzo entre las capas de óxido y de nitruro provoca que la estructura se rice desde el plano definido por el sustrato 100, formando de ese modo una estructura de fuste. Entonces, se puede hacer rugoso el extremo del fuste para formar espátulas. Por ejemplo, se pueden formar las espátulas mediante decapado húmedo, radiación, la generación de rugosidad mediante plasma, decapado electroquímico y similares. De forma alternativa, se pueden fijar espátulas aparte al fuste. A continuación se exponen las técnicas para fabricar espátulas. Then, the underlying substrate 100 is stripped, which results in a cavity 106, as shown in Figure 5C. At this point, the difference in stress between the oxide and nitride layers causes the structure to brown from the plane defined by the substrate 100, thereby forming a shaft structure. Then, the end of the shaft can be made rough to form spatulas. For example, spatulas can be formed by wet pickling, radiation, the generation of roughness by plasma, electrochemical pickling and the like. Alternatively, spatulas can be fixed separately to the shaft. The techniques for making spatulas are set out below.

Otra técnica que se puede utilizar según la invención aprovecha una fuente de excitación. Como se muestra en la Figura 6A, se forma un material sensible 122 en un sustrato 120. Se utiliza una fuente 124 de excitación para aplicar energía de excitación al material sensible 122. La excitación penetrante en profundidad altera el volumen a lo largo de la trayectoria de excitación. Entonces, se elimina mediante decapado de forma selectiva el volumen modificado. Esto tiene como resultado un tubo 126, como se muestra en la Figura 6B. A mayores densidades de exposición, el material restante se vuelve un conjunto aleatorio de separadores aislados. Entonces, se procesa el extremo de cada tubo 126 para formar espátulas o se fijan espátulas en los tubos. Another technique that can be used according to the invention takes advantage of a source of excitation. As shown in Figure 6A, a sensitive material 122 is formed on a substrate 120. An excitation source 124 is used to apply excitation energy to the sensitive material 122. The penetrating depth excitation alters the volume along the path. of excitement Then, the modified volume is selectively stripped. This results in a tube 126, as shown in Figure 6B. At higher exposure densities, the remaining material becomes a random set of isolated separators. Then, the end of each tube 126 is processed to form spatulas or spatulas are fixed in the tubes.

La Figura 7 ilustra otra técnica que puede ser utilizada según la invención. Esta realización depende de la deposición de un material decapable sobre un sustrato 130. Entonces, se moldean y se decapan los tallos 132 del material decapable. Se puede revestir el sustrato decapado con capas de óxido y/o de nitruro. De forma alternativa, se pueden utilizar capas poliméricas como un revestimiento. Las capas poliméricas pueden ser moldeadas por centrifugación, utilizando materiales, tales como una sustancia fotoendurecible, poliimida, vidrio, o compuestos basados en epoxi. Entonces, se siembran los tallos 132 resultantes para formar nanotubos 136, que funcionan como espátulas. Figure 7 illustrates another technique that can be used according to the invention. This embodiment depends on the deposition of a pickling material on a substrate 130. Then, the stems 132 of the pickling material are molded and stripped. The pickling substrate can be coated with oxide and / or nitride layers. Alternatively, polymeric layers can be used as a coating. The polymeric layers can be molded by centrifugation, using materials, such as a photo-curable substance, polyimide, glass, or epoxy-based compounds. Then, the resulting stems 132 are sown to form nanotubes 136, which function as spatulas.

Se pueden formar espátulas artificiales utilizando una micropipeta de vidrio a la que se hace descender hasta una abertura estrecha (por ejemplo, 500 × 10-9 m (500 nm)) en un extremo. Se extrude polímero líquido a través de la pipeta hueca y luego se endurece. La tensión superficial crea una gota hemisférica en el extremo de la pipeta. La Figura 8 ilustra esta técnica. En particular, la figura ilustra una micropipeta 150 con un polímero líquido 152 colocado en su interior para formar una gota hemisférica 154. Artificial spatulas can be formed using a glass micropipette which is lowered to a narrow opening (for example, 500 × 10-9 m (500 nm)) at one end. Liquid polymer is extruded through the hollow pipette and then hardens. Surface tension creates a hemispheric drop at the end of the pipette. Figure 8 illustrates this technique. In particular, the figure illustrates a micropipette 150 with a liquid polymer 152 placed therein to form a hemispheric drop 154.

Los materiales que pueden ser aplicados a la micropipeta incluyen epoxi de baja viscosidad endurecido por radiación ultravioleta, caucho de silicona no endurecido, o resina de poliuretano. Se puede aplanar o estampar la semiesfera en el extremo de la micropipeta al aplicar presión contra una superficie pulida. Una superficie aplanada, tal como la estructura de paleta de la Figura 1E, con su mayor área de contacto, tiene mejores propiedades adhesivas que una esfera. Materials that can be applied to the micropipette include low viscosity epoxy hardened by ultraviolet radiation, uncured silicone rubber, or polyurethane resin. The hemisphere can be flattened or stamped at the end of the micropipette by applying pressure against a polished surface. A flattened surface, such as the vane structure of Figure 1E, with its largest contact area, has better adhesive properties than a sphere.

Se puede utilizar la pipeta de una sola espátula como una herramienta de estampado para formar un nanomolde al deformar plásticamente un material, tal como poliestireno fundido. Se puede formar un molde de área grande (por ejemplo, 20 × 10-6 m × 20 × 10-6 m (20 por 20 micrómetros)) bien mediante estampado de repetición o bien al fabricar un conjunto de pipetas y estampar un diseño grande. The single spatula pipette can be used as a stamping tool to form a nanomold by plastically deforming a material, such as molten polystyrene. A large area mold (for example, 20 × 10-6 m × 20 × 10-6 m (20 by 20 micrometers)) can be formed either by repeated stamping or by manufacturing a pipette assembly and stamping a large design .

La Figura 9 ilustra un conjunto de pipetas utilizado para formar una herramienta 160 de estampado. Se aplica la herramienta 160 de estampado a un material 162 de poliestireno colocado sobre un sustrato 164. Esto tiene como resultado una superficie estampada 166 de poliestireno. Figure 9 illustrates a set of pipettes used to form a stamping tool 160. The stamping tool 160 is applied to a polystyrene material 162 placed on a substrate 164. This results in a stamped surface 166 of polystyrene.

De forma alternativa, se puede utilizar un vidrio de nanocanales, que consiste en un gran manojo de fibras huecas de vidrio. Se puede rellenar el vidrio de nanocanales con un polímero, y luego se puede disolver el vidrio en un ácido. Alternatively, a nanochannel glass, which consists of a large bundle of hollow glass fibers, can be used. The nanochannel glass can be filled with a polymer, and then the glass can be dissolved in an acid.

También se pueden formar las espátulas mediante una autoconstrucción inducida de forma litográfica. Con esta técnica, se utiliza la atracción electrostática para atraer el líquido a través de una máscara, y “echar” espátulas de ese modo. Este procedimiento se muestra en conexión con las Figuras 10A-10D. Spatulas can also be formed by a lithograph-induced self-construction. With this technique, electrostatic attraction is used to attract the liquid through a mask, and "throw" spatulas in that way. This procedure is shown in connection with Figures 10A-10D.

La Figura 10A ilustra una capa 170 de crecimiento colocada sobre un sustrato 172. La capa de crecimiento puede ser un polímero fundido o termoplástico. Hay colocados separadores 174 sobre el sustrato 172 y se construye una máscara 176 sobre los separadores 174. La capa 170 de crecimiento está atraída electrostáticamente a la capa superior 176 de máscara, produciendo un conjunto de protrusiones 178, como se muestra en la Figura 10C. En la Figura 10D se muestra el conjunto resultante de espátulas. Figure 10A illustrates a growth layer 170 placed on a substrate 172. The growth layer may be a molten or thermoplastic polymer. Separators 174 are placed on the substrate 172 and a mask 176 is constructed on the separators 174. The growth layer 170 is electrostatically attracted to the upper layer 176 of the mask, producing a set of protrusions 178, as shown in Figure 10C. The resulting set of spatulas is shown in Figure 10D.

También se pueden formar tallos y espátulas a partir de un molde utilizando un rodillo de nanoimpresión. Esta técnica se muestra en conexión con las Figuras 11A-11B. Aunque se han utilizado en la técnica anterior las técnicas de nanoimpresión del tipo mostrado en las Figuras 11A-11B, no han sido utilizadas para producir estructuras de espátulas. Stems and spatulas can also be formed from a mold using a nanoprinting roller. This technique is shown in connection with Figures 11A-11B. Although nanoprinting techniques of the type shown in Figures 11A-11B have been used in the prior art, they have not been used to produce spatula structures.

La Figura 12 ilustra que se pueden formar sustancias fotoendurecibles de dos capas con distintas sensibilidades de resistencia a la exposición, de forma que la capa superior forma, por ejemplo, placas cuadradas de 100 nm que están soportadas por pedestales mucho más largos y delgados. Se pueden utilizar patrones de interferencia de ondas estacionarias para las características de exposición y de diseño para fabricar conjuntos de áreas grandes. Se pueden realizar estructuras similares con capas de SiOx sobre sustratos de silicio por medio de decapado por plasma. Figure 12 illustrates that two-layer photo-curable substances with different exposure resistance sensitivities can be formed, such that the upper layer forms, for example, 100 nm square plates that are supported by much longer and thinner pedestals. Stationary wave interference patterns can be used for exposure and design features to manufacture large area sets. Similar structures can be made with SiOx layers on silicon substrates by means of plasma etching.

Se pueden fabricar fustes de pelillos utilizando una estructura interlaminar de capas poliméricas. Una capa polimérica puede incluir materiales poliméricos moldeados por centrifugación, tales como una sustancia fotoendurecible, poliimida, vidrio, o compuestos basados en epoxi. Una capa polimérica también puede incluir materiales poliméricos depositados por pulverización, tal como una sustancia fotoendurecible, poliimida, vidrio, o compuestos basados en epoxi. De forma alternativa, una capa polimérica puede ser un epoxi endurecible por radiación ultravioleta. Hair shafts can be made using an interlaminar structure of polymeric layers. A polymeric layer may include centrifugal molded polymeric materials, such as a photocurable substance, polyimide, glass, or epoxy-based compounds. A polymeric layer may also include spray deposited polymeric materials, such as a photo-curable substance, polyimide, glass, or epoxy-based compounds. Alternatively, a polymeric layer can be an epoxy curable epoxy.

La Figura 13 ilustra un manipulador 200 formado según una realización de la invención. El manipulador 200 incluye un brazo 202 con un conjunto de pelillos 26A-26D dispuestos en pares enfrentados (por ejemplo, 26A y 26C están enfrentados entre sí, al igual que lo están 26B y 26D). Se empuja el brazo 202 hacia el sustrato 204 para precargar y extender los pelillos 26A26D. Entonces, se retiró el brazo 202 del sustrato 204 para arrastrar y coger el sustrato 204. Se empuja el brazo 202 hacia el sustrato 204 para soltar los pelillos 26A-26D. Figure 13 illustrates a manipulator 200 formed according to an embodiment of the invention. The manipulator 200 includes an arm 202 with a set of hairs 26A-26D arranged in opposite pairs (for example, 26A and 26C are facing each other, as are 26B and 26D). The arm 202 is pushed towards the substrate 204 to preload and extend the hairs 26A26D. Then, arm 202 of substrate 204 was removed to drag and pick up substrate 204. Arm 202 is pushed toward substrate 204 to release hairs 26A-26D.

Los expertos en la técnica reconocerán que las microestructuras adhesivas de la invención pueden utilizarse en una variedad de formas. Por ejemplo, se puede utilizar la técnica de la invención en aplicaciones de microfabricación a base de recogida y colocación de componentes, de micromanipulación, y de microcirugía. Por ejemplo, se puede fijar un pelillo a un micromanipulador para coger una fibra óptica, moverla, y dejarla de nuevo. Otros usos incluyen la manipulación de implantes/explantes de prótesis retinales, fijación a los nervios durante una cirugía, y recogida y colocación de obleas de silicio o de componentes de discos duros. Those skilled in the art will recognize that the adhesive microstructures of the invention can be used in a variety of ways. For example, the technique of the invention can be used in microfabrication applications based on component collection and placement, micromanipulation, and microsurgery. For example, a hair can be attached to a micromanipulator to pick up an optical fiber, move it, and leave it again. Other uses include manipulation of implants / explants of retinal prostheses, fixation to the nerves during surgery, and collection and placement of silicon wafers or hard disk components.

También se pueden utilizar los pelillos de la invención como mecanismos de embrague en micromáquinas. Dado que los pelillos se adhieren de forma direccional, se podría utilizar un pelillo como un mecanismo de embrague similar a un trinquete, pero sobre una superficie lisa. The hairs of the invention can also be used as clutch mechanisms in micromachines. Since the hairs adhere directionally, a hair could be used as a clutch mechanism similar to a ratchet, but on a smooth surface.

Otras aplicaciones para la técnica de la invención incluyen: trampas para insectos, cinta, pies Other applications for the technique of the invention include: insect traps, tape, feet

o bandas de rodadura de robots, guantes/almohadillas para escalar, agarrarse, etc., herramientas de procesamiento en sala estéril, manipulación microóptica que no cause cicatrices en una superficie y no deje restos ni arañazos, microescobillas, microaspiradoras, eliminación de escamas de las obleas, localización y eliminación óptica de partículas individuales, juguetes de escalada, de lanzamiento y de pegatinas, uñas de quitaipón, fijaciones silenciosas, un sustrato para evitar la adhesión en ubicaciones específicas, una escobilla para limpiar unidades de disco, notas adhesivas, tiritas, transporte semiconductor, cierres para ropa, y similares. En muchas de estas aplicaciones, se utilizan parches de or robot treads, gloves / pads for climbing, gripping, etc., processing tools in a sterile room, micro-optical manipulation that does not cause scars on a surface and does not leave debris or scratches, micro-brushes, micro-vacuum cleaners, scale removal Wafers, location and optical removal of individual particles, climbing, throwing and sticker toys, nail remover, silent fixings, a substrate to prevent adhesion in specific locations, a brush to clean disk drives, sticky notes, strips, semiconductor transport, closures for clothes, and the like. In many of these applications, patches of

espátula sobre un sustrato plano, a diferencia de los parches de espátula colocados en un fuste. La anterior descripción, con fines de la explicación, ha utilizado nomenclatura específica para proporcionar una comprensión cabal de la invención. Sin embargo, será evidente para un spatula on a flat substrate, unlike spatula patches placed on a shaft. The above description, for the purpose of explanation, has used specific nomenclature to provide a thorough understanding of the invention. However, it will be evident for a

5 experto en la técnica que no se requieren los detalles específicos para poner en práctica la invención. Por lo tanto, se presentan las anteriores descripciones de las realizaciones específicas de la presente invención con fines ilustrativos y descriptivos. No se pretende que sean exhaustivos ni que limiten la invención a las formas precisas dadas a conocer, obviamente son posibles muchas modificaciones y variaciones en vista de las anteriores 5 skilled in the art that specific details are not required to practice the invention. Therefore, the above descriptions of the specific embodiments of the present invention are presented for illustrative and descriptive purposes. They are not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise forms disclosed, obviously many modifications and variations are possible in view of the foregoing.

10 enseñanzas. Las realizaciones fueron escogidas y descritas para explicar de la mejor forma los principios de la invención y sus aplicaciones prácticas, para permitir de ese modo que otros expertos en la técnica utilicen de forma óptima la invención y las diversas realizaciones con diversas modificaciones según convenga al uso particular contemplado. 10 teachings The embodiments were chosen and described to best explain the principles of the invention and their practical applications, to thereby allow other experts in the art to optimally use the invention and the various embodiments with various modifications as appropriate to use. particular contemplated.

Claims

1. A process for manufacturing an adhesive microstructure, said process comprising the steps of:

manufacture a set of shafts, each shaft having a length less than 500 × 10-6 m (500 micrometers), and each shaft having a diameter between 0.01 and 0.1 times said length of said shaft; and form spatulas in said set of shafts,

10-6

said spatulas having a width of less than 10 × m (10 micrometers), each individual spatula of said spatulas including a curved segment of a sphere at a terminal end of the spatula.

2. 2.: El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de fabricación incluye la etapa de construcción de dicho conjunto de fustes con una estructura interlaminar de nitruro y de óxido. The method of claim 1, wherein said manufacturing stage includes the construction stage of said set of shafts with an interlaminar structure of nitride and oxide.

3. 3.: El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de fabricación incluye la etapa de construcción de dicho conjunto de fustes con una estructura interlaminar de capas poliméricas. The method of claim 1, wherein said manufacturing stage includes the construction stage of said set of shafts with an interlaminar structure of polymeric layers.

4. Four.: El procedimiento de la reivindicación 3, en el que dicha etapa de construcción incluye la etapa de construcción de dicho conjunto de fustes con una estructura interlaminar de capas poliméricas, en el que una capa polimérica es un material polimérico moldeado por centrifugación seleccionado del grupo constituido por una sustancia fotoendurecible, poliimida, vidrio, y compuestos basados en epoxi. The method of claim 3, wherein said construction stage includes the construction stage of said set of shafts with an interlaminar structure of polymeric layers, wherein a polymeric layer is a polymeric material molded by centrifugation selected from the group consisting of a photo-curable substance, polyimide, glass, and epoxy-based compounds.

5. 5.: El procedimiento de la reivindicación 3, en el que dicha etapa de construcción incluye la etapa de construcción de dicho conjunto de fustes con una estructura interlaminar de capas poliméricas, en el que una capa polimérica es un material polimérico depositado por pulverización seleccionado del grupo constituido por una sustancia fotoendurecible, poliimida, vidrio, y compuestos basados en epoxi. The method of claim 3, wherein said construction stage includes the construction stage of said set of shafts with an interlaminar structure of polymeric layers, wherein a polymeric layer is a spray deposited polymeric material selected from the group consisting of a photo-curable substance, polyimide, glass, and epoxy-based compounds.

6. 6.: El procedimiento de la reivindicación 3, en el que dicha etapa de construcción incluye la etapa de construcción de dicho conjunto de fustes con una estructura interlaminar de capas poliméricas incluyendo epoxis endurecibles por radiación ultravioleta. The method of claim 3, wherein said construction stage includes the construction stage of said set of spindles with an interlaminar structure of polymeric layers including epoxies curable by ultraviolet radiation.

7. 7.: Una microestructura fabricada, que comprende: A manufactured microstructure, comprising:

a shaft with a length of less than 500 × 10-6 m (500 micrometers), said shaft having a diameter between 0.01 and 0.1 times said length of said shaft; and 5 a set of spatulas formed at one end of said shaft, said 10-6 having

set of spatulas a width less than 10 × m (10 micrometers), each individual spatula of said spatulas including a curved segment of a sphere at a terminal end of the spatula.

The fabricated microstructure of claim 7, wherein said shaft has a length between 10 and 100 × 10-6 m (10 and 100 micrometers).

9. The fabricated microstructure of claim 7, wherein said shaft has a diameter of 0.05 times said length of said shaft.

fifteen

10. The fabricated microstructure of claim 7, wherein said curved segment of a sphere of a terminal end of the spatula has a radius of 2 × 10-6 m (2 µm).