CN109733873B - 一种负压辅助的仿生干粘附拾取结构及制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种负压辅助的仿生干粘附拾取结构及制备工艺，结构整体上是一个吸盘状的弹性体，弹性体表面粘接了一层仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构，制备工艺是先进行吸盘状的弹性体的制备，再进行仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构的制备，最后复合结构的制备，本发明实现对各类尺度任意材料粗糙表面的粘附拾取，能够适用机械抓取、产线输运的广泛需求。

Description

一种负压辅助的仿生干粘附拾取结构及制备工艺

技术领域

本发明属于微纳工程仿生制造技术领域，具体涉及一种负压辅助的仿生干粘附拾取结构及制备工艺。

背景技术

针对毫、微、纳跨尺度级别粗糙表面的转移输运是机械抓取、产线示范应用等场合需要解决的关键难题。目前，实现这一目标的主要途径是通过机械夹持、真空吸盘、电磁吸盘、静电吸盘等方式，然而这些途径往往受限较大，例如损伤目标表面、目标表面光洁度要求高、目标表面导磁或导电等，限制了可抓取粗糙表面的类型。自从2000年Autumn教授等人于Nature上阐明了壁虎脚掌的粘附机理后，壁虎仿生微纳粘附结构受到广泛的关注和研究，并逐步应用于粘附——拾取——转运场合，如清华大学田煜教授团队将仿生干粘附结构与三角机械爪结合实现对硅片晶圆的拾取转运、加拿大滑铁卢大学Boxin Zhao教授团队将干粘附功能表面与液晶弹性体相结合，利用液晶弹性体的热场驱动调控作用，实现干粘附功能表面在目标表面的拾取和释放。现阶段制备的仿生干粘附结构主要局限于光滑表面的粘附拾取，对毛玻璃、氮化镓等粗糙表面基本没有表现出粘附特性。因此如何实现对各类尺度任意材料粗糙表面的粘附拾取仍然是一大难题。

发明内容

为了解决上述现有技术难题，本发明的目的在于提供一种负压辅助的仿生干粘附拾取结构及制备工艺，实现对各类尺度任意材料粗糙表面的粘附拾取。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种负压辅助的仿生干粘附拾取结构，整体上是一个吸盘状的弹性体，弹性体尺寸在毫米到厘米级别，弹性体表面粘接了一层仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构，单个仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构尺寸在微米级别。

所述的弹性体与仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构材料均采用硅橡胶或聚氨酯。

一种负压辅助的仿生干粘附拾取结构的制备工艺，包括以下步骤：

第一步，吸盘状的弹性体的制备：利用铣削工艺或者激光加工工艺对毫米或者厘米尺寸的亚克力或金属板材加工出吸盘状的凹模，然后在凹模内填充硅橡胶或聚氨酯，经固化、脱模后得到吸盘状的弹性体；

第二步，仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构的制备：先在基材的表面溅射一层铬，再在铬上旋涂一层光刻胶，利用双面曝光技术、显影技术得到仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体模具，利用填充、旋涂工艺在仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体模具表面旋涂一层硅橡胶，实现仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构的制备需要保持此时的硅橡胶或聚氨酯为未固化状态；

第三步，复合结构的制备：把第一步制备的吸盘状的弹性体利用机械外压力平压在第二步所制备的未固化的仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构上，然后高温固化，最后利用超声剥离工艺去除与仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构粘附在一起的光刻胶，得到负压辅助的仿生干粘附拾取结构。

本发明的有益效果为：本发明负压辅助的仿生干粘附拾取结构，在仿生壁虎脚掌范德华力粘附的基础上又引入了负压吸附效应，可实现对各类尺度任意材料粗糙表面的粘附拾取。制造工艺采用基于光刻、模塑和旋涂的工艺手段，实现各层结构的准确可控制造。本发明的结合负压吸附效应与仿生干粘附效应的拾取结构可广泛用于工业生产、医疗辅助等技术领域。

附图说明

图1-1为本发明负压辅助的仿生干粘附拾取结构的三维示意图。

图1-2为本发明负压辅助的仿生干粘附拾取结构的二维示意图。

图2-1为未施加机械压力时本发明负压辅助的仿生干粘附拾取结构与毫微尺度粗糙表面的未接触示意图。

图2-2为施加机械压力时本发明负压辅助的仿生干粘附拾取结构与毫微尺度粗糙表面的接触示意图。

图3-1为采用铣削工艺或者激光加工工艺对毫米或者厘米尺寸的亚克力或金属板材加工出的吸盘状的凹模示意图。

图3-2为在凹模内填充硅橡胶或聚氨酯示意图。

图3-3为翻模出的弹性体示意图。

图4-1为在基材上制备一层光刻胶的结构示意图。

图4-2为利用光刻胶双面曝光技术制备仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体模具的工艺示意图。

图4-3为在光刻胶层制备的仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体模具示意图。

图4-4为在仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体模具内填充、旋涂未固化硅橡胶或聚氨酯的示意图。

图5-1为通过机械外压力将弹性体1压在未固化仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构2上的示意图。

图5-2为固化、脱模后得到的负压辅助的仿生干粘附拾取结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1，一种负压辅助的仿生干粘附拾取结构，整体上是一个吸盘状的弹性体1，弹性体1尺寸在毫米到厘米级别，弹性体1表面粘接了一层仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构2，单个仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构2尺寸在微米级别。

所述的弹性体1与仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构2材料均采用硅橡胶或聚氨酯。

参照图2-1，图2-2，当物体表面11的粗糙尺度为微米级别时，如毛玻璃、氮化镓表面，由于仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构2的尺度与其处于相同量级，导致粘附作用不明显，然而，在机械外压力10的作用下会在两者接触界面形成负压，从而利用负压效应实现物体的稳定拾取；当物体表面11的粗糙尺度为毫米或者纳米级别时，如玻璃球、平面玻璃等，其粗糙尺度与蘑菇干粘附结构尺度相差较大，仿生干粘附效应明显，且负压效应也会起到粘附力增强作用，从而实现对物体的拾取。

一种负压辅助的仿生干粘附拾取结构的制备工艺，包括以下步骤：

第一步，吸盘状的弹性体的制备：利用传统的铣削工艺或者激光加工工艺对毫米或者厘米尺寸的亚克力或金属板材3加工出吸盘状的凹模4，其中凹模4总高h1，内高h2，壁厚d1，壁倾斜θ角度，如图3-1所示；然后在凹模4内填充硅橡胶或聚氨酯，如图3-2所示；经固化、脱模后得到吸盘状的弹性体1，弹性体1总高h1，内高h2，壁厚d1，壁倾斜θ角度，如图3-3所示；

第二步，仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构的制备：先在基材7(一般选用玻璃)的表面溅射一层铬6，铬6大约为几纳米，用于后续脱模；再在铬6上旋涂一层厚度h3为微米级别的光刻胶5，所用光刻胶5采用AZ系列光刻胶，如图4-1所示；利用双面曝光技术，顶部UV光12透过掩膜版8实现光刻胶5的顶部光刻，底部UV光12透过基材7及铬6实现光刻胶5的底部光刻，从而得到柱状柱径d2为微米级别，间距d3为微米级别，杆径高度h4为微米级别及底层高度h3-h4为微米级别的光刻区域9，如图4-2所示；

利用显影技术，去除曝光光刻区域9，从而得到柱径d2为微米级别，间距d3为微米级别，杆径高度h4为微米级别，蘑菇直径d4为微米级别，蘑菇厚度为h3-h4为微米级别的仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体模具，如图4-3所示；

利用填充、旋涂工艺在仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体模具表面旋涂一层硅橡胶，留膜厚度控制在几十微米量级，实现仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构2的制备，如图4-4所示，但需要保持此时的硅橡胶或聚氨酯为未固化状态，以便于后面的粘接；

第三步，复合结构的制备：把第一步制备的吸盘状的弹性体1利用机械外压力10平压在第二步所制备的未固化的仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构2上，如图5-1所示，然后高温固化，最后利用超声剥离工艺去除与仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构2粘附在一起的光刻胶，得到负压辅助的仿生干粘附拾取结构，如图5-2所示。

本发明设计的负压辅助的仿生干粘附拾取结构，克服了传统拾取方法受限于拾取表面粗糙尺度及材料的难题，可实现对各类尺度任意材料的粗糙表面的粘附拾取，利用光刻、旋涂、模塑等工艺实现了设计结构的准确可控制造，能够适用仿生领域的广泛需求。

Claims (2)

1.一种负压辅助的仿生干粘附拾取结构的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，吸盘状的弹性体的制备：利用铣削工艺或者激光加工工艺对毫米或者厘米尺寸的亚克力或金属板材加工出吸盘状的凹模，然后在凹模内填充硅橡胶或聚氨酯，经固化、脱模后得到吸盘状的弹性体；

第二步，仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构的制备：先在基材的表面溅射一层铬，再在铬上旋涂一层光刻胶，利用双面曝光技术、显影技术得到仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体模具，利用填充、旋涂工艺在仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体模具表面旋涂一层硅橡胶，实现仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构的制备需要保持此时的硅橡胶或聚氨酯为未固化状态；

第三步，复合结构的制备：把第一步制备的吸盘状的弹性体利用机械外压力平压在第二步所制备的未固化的仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构上，然后高温固化，最后利用超声剥离工艺去除与仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构粘附在一起的光刻胶，得到负压辅助的仿生干粘附拾取结构；

所述的一种负压辅助的仿生干粘附拾取结构，整体上是一个吸盘状的弹性体，弹性体尺寸在毫米到厘米级别，弹性体表面粘接了一层仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构，单个仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构尺寸在微米级别。

2.根据权利要求1所述的一种负压辅助的仿生干粘附拾取结构的制备工艺，其特征在于：所述的弹性体与仿壁虎蘑菇状干粘附弹性体结构材料均采用硅橡胶或聚氨酯。

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