CN111587218A - 微结构相界面装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及抓持表面和包括该抓持表面的装置，其中抓持表面包括形状可调的表面微结构，其中微结构的高度、宽度和空间周期性对应于目标表面的Schallamach波波幅和波长的整数倍，其中，装置微结构和所引起的Schallamach波通过向装置施加应变而被夹带。

Description

微结构相界面装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年11月1日提交的美国临时申请号62/580,436的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本文描述了微结构表面和包括该微结构表面的装置。本公开的表面和装置在旨在防止或最小化固-固界面处（诸如在微结构装置和可变形表面之间）的滑移的任何防滑应用中有用。本发明采用在分级结构的表面上钉扎的动态Schallamach波、滑移脉冲和分离脉冲来获得抓持的表面。
背景技术
虽然这一部分主要致力于已建立的观察和理论，但是这一部分中所包含的一些材料在解释或感知应用方面是新的，尽管基础理论是已知的。因此，申请人并不意图在本部分中公开的思想必然构成现有技术，并且在现有技术的不同状态之间做出的一些连接可构成发明。
自然中有各种各样的表面图案。它们的功能既排斥又吸引其他表面。范围从光刻到碳纳米管合成的复杂且昂贵的制造技术已经被用于产生自然发生的表面的合成类似物。
关于自然表面的功能，经常被忽略的一个方面是当一个表面与另一个表面在界面处相互作用时发生的运动的变化。在自然的许多情况下，存在第一几何形状界面主要是为了引起第二几何形状，第二几何形状在性能上超过第一几何结构主要是因为第二几何形状的表现可以采取多种形式。
可以将所引起的表面几何形状一般地称为“起皱”表面，这是自发的或自形成的。褶皱是由表面上的压缩应变以及通过材料性质、静态表面几何形状以及界面条件改变应变条件而导致的。自然已经能够在大表面面积上展示出对褶皱波长、波幅和取向的强大控制。
很难直接理解可变形的大部分固体表面上的粘附机理，因为表面之间的抓持与复杂的分级结构的时间相关的变形相关联。这些结构中的一些被预先安设置在表面上，其它结构由相互作用的能量在表面上引起。
摩擦的经典概念是一种对抗装置相对于表面平移的力，摩擦力是法向力和接触面积的线性函数。作为一个概念，经典摩擦不足以描述作用于与本发明的微结构相界面装置相互作用的目标表面上的作用机制。
在没有更专业术语的情况下，抓持是装置相对于表面平移所需的能量，其不能通过经典的摩擦概念完全解释。事实上，对抓持力的最大贡献不是摩擦，而是表面能之间的相互作用，该相互作用进而可能导致装置和表面之间抓持界面的变形，该变形相对于法向载荷和接触面积是高度非线性的。
抓持存在与经典的摩擦概念反直觉的不同的微妙之处。例如，对于本发明的装置，当接触面积减小时，平移力会增加。特别地，当装置和目标表面之间的接触面积与装置的表面面积近似成反比时，抓持通常加强，这意味着平移力增加。
另外，当装置界面上存在微结构时，作为平移力的抓持显著偏离于摩擦。在本申请中，装置上的微结构被设计成与目标环境表面上的微结构相互作用和/或被设计成在目标环境表面上引起微结构。
微结构在这里指的是任何表面几何形状特征，其特征在于与装置相比结构是小的。因此，这里使用的术语微结构一般指的是大小从10毫米（mm）低到1纳米（nm）的任何结构。当要求精度时，1-10 mm的结构将被称为介观的，在1000-1微米范围内的结构将被称为微观的，并且1000-1纳米范围内的结构将被称为纳米观的。
这里公开的许多意想不到的现象部分地依赖于一种被称为Schallamach波的现象。按照常规的理解，Schallamach波被用来描述一种潜在分离的波，这种分离波有时在可变形表面抵靠光滑刚性表面的摩擦滑动期间出现。然而，当Schallamach波与装置的微纹理表面交界时，不是使Schallamach波分离，而是导致装置抓持目标表面。Schallamach波不产生分离，它们产生夹带。夹带是波结构与另一个空间周期性结构接合或互锁的现象。Schallamach波可以由装置抑或目标表面上的微纹理引发，并且波自身可以在装置和目标表面中的一者或两者上产生。
Schallamach波可以与犁削机制相关联。一种被设计成引起Schallamach犁削的装置包括沿相反方向定向的表面微结构。目标表面中的Schallamach波自然地平行于装置上的微结构取向对准。所产生的双重定向Schallamach波沿着Schallamach波的波幅叠加的中心线会聚。所产生的叠加的Schallamach波的波幅大于Schallamach波没有叠加的部分的波幅。Schallamach犁削会导致两种结果，装置-表面分离或抑制滑移脉冲的形成。在前者被抑制且后者被实现的情况下，抓持通过阻止平移模式而显著增加。
与Schallamach波相关联的是库仑锁定（Coulomb locking），其中，所引起的微结构与现有的或所引起的结构互锁，其中，一个结构的周期性是另一个结构的周期性的整数倍。当所述结构中的一者的杨氏模量大于另一个结构的杨氏模量时，库仑锁定最有效。
与Schallamach波相关联的是本征库仑锁定，这里，这是一个发现，其中目标表面的自然共振频率或本征褶皱频率与装置上微结构的空间周期性匹配。当采用本征库仑锁定时，引起坚固锁定所需的剪切应力是迫使目标表面形成频率远离目标表面自然本征褶皱模式的Schallamach波所需的剪切应力的1/2至1/10。
利用上述变形现象的基本机制的特征一般可以在于由抓持力引起的表面的运动循环振荡。一般有两个周期性表面：一个与装置相关联，其可以是预先设置的抑或是被引起的；另一个与目标表面相关联，其可以是预先设置的抑或是被引起的。通过关注装置上的结构相对于目标表面上的结构之间的位置关系，该机制可以得到最好的理解。
当装置上的峰中心位于目标表面上的两个峰之间时，抓持力最大。两个峰通常都经历相对的变形。当装置上的与目标峰的前部部分接触的峰的变形增加时，抓持力增加，在此期间，装置瞬时地犁削目标峰。因此，增加的库仑互锁的效果以及在互锁时间段时对起皱表面的犁削都是抓持力增加的原因。当与目标峰的前部部分接触的装置峰的变形被认为是最大的并且与装置峰的后部部分接触的目标峰的变形已经消失时，抓持力是最大的。
另一个重要的特征是Larkin长度。Larkin长度被定义为特征长度，超过该长度，位移场的波动变得大于钉扎中心的典型大小。如果将与表面接触的装置建模为位移场，则目标表面抑或装置中的不均匀性会在小区域中产生相对运动的波动。当这些波动超过Larkin长度这一特定大小时，钉扎中心然后就被破坏。
最终，在装置上抑或在目标表面上，图案的引起都依赖于抓持环境中材料性质的差异。例如，如果装置和目标表面都包括相同的材料，并且在任何尺寸或材料性质方面都相同，则处于接触状态的装置和表面变得不可区分。如果一者的几何形状有任何变化，则另一者也会发生变化。此外，如果几何形状有任何变化，则几何形状的变化是由于所施加的力的局部性引起的。因此，装置和表面之间所引起的几何变化取决于装置和目标表面之间的某些差异。
例如，已知可以通过选择材料性质、表面几何形状和工艺参数来独立地控制褶皱波长和波幅。起皱表面的波长
Figure 559429DEST_PATH_IMAGE001
由坚硬装置和软基底之间的有效弹性模量失配（Ef/Es）和装置厚度（t）决定：
Figure 273307DEST_PATH_IMAGE002
。
将褶皱说成是一种类型也许是误导或过于简单。申请人已经识别了三种褶皱类型：1）Schallamach波、2）滑移脉冲和3）分离脉冲。Schallamach波本质上是在装置和目标表面之间建立的共振现象。本质上，势能找到其中可以以稳定的方式储存势能的弹性变形模式。Schallamach波经常被归于在运动环境下建立的稳定状态，在这种状态下，储存的势能通过滑移变成运动的而被释放。
然而，这种现象是两种类型的波叠加的结果，第一种波是Schallamach波本身，并且第二种是滑移脉冲。滑移脉冲的波幅和频率不被包含在共振谱中。滑移脉冲是对应于屈曲的弹性状态，它暂时地破坏势能和共振形式之间的稳态。
在一些情况下，滑移脉冲耗散，并且重新建立粘附。在其他情况下，滑移脉冲的能量增加，最终达到界面被充分破坏的波幅。在这种情况下，滑移脉冲致动分离脉冲。在滑移脉冲耗散的情况下，分离脉冲形成并位于界面的前缘上。在滑移脉冲没有被耗散的情况下，分离脉冲的能量通过相互作用区域传输。
当界面处于运动中时，可能具有同时存在的三种波。换句话说，在界面中形成压缩波形式，在前缘上形成分离波形形式，并且来自分离波的能量通过滑移波的传播而被泄漏到界面中。因此，在上述三种所识别的波方面得到正确理解的特有的粘滑现象与不同的表面波相关联，每种表面波具有相当不同的波长和波幅。
Schallamach波包括局部压缩区域，这些压缩区域沿与相对于目标表面的界面运动的相同运动方向传播。分离脉冲虽然也是如Schallamach波的局部压缩区域，但具有基本上不同的性质。首先，分离脉冲沿与Schallamach波相反的方向且以低得多的速度传播。分离脉冲高度取决于法向力。因此，对于低法向力应用，可能期望允许滑移脉冲产生，使得分离脉冲的传播得到抑制。另一个重要的观察结果是，Schallamach波几乎总是与表面褶皱相关联，而传播的分离脉冲通常没有诸如褶皱的表面特征。
在对动态界面现象进行建模时，经常假设位移力是常数。情况经常并非如此。例如，滑移脉冲通过界面的传播调制所施加的力。因此，在调制所施加的力和界面中的各种空间和时间周期性之间会存在共振。在设计高抓持装置时，也应将这一点考虑在内。
滑移脉冲和分离脉冲之间的主要差异在于，分离脉冲导致界面的完全破坏，而滑移脉冲不破坏界面，尽管在两种情况下都会发生平移。此外，在这两种情况下，都保持长时间平均的界面。
总之，在运动环境下，有装置相对于目标表面的平移，这是由于分离脉冲、滑移脉冲和Schallamach波引起的平移的总和。现在，在保持界面的状况下，有三种特征速度，即分离脉冲的波速、滑移脉冲的波速和Schallamach波的波速。与这些波速相关联的是空间和时间分量两者的振荡频率。最后，实验表明，界面运动仅仅由于波在界面处的传播而发生。正是该深入了解推动了这里所公开的创新。
另一个重要的观察结果是，滑移脉冲由可变形表面上的屈曲不稳定性集结，无论屈曲是在装置中还是在目标表面上。另一方面，分离脉冲通过拉伸剥离过程集结。理解这两个平移过程的独立性是重要的。
例如，分离脉冲和Schallamach波在界面区域中相互作用。当这两种类型的波沿相反的方向传播时，它们彼此碰撞，从而导致单一的停滞相不连续。相不连续可以是固相之间的一滴液体冷凝物，或者是在液体界面中形成的气泡。即使当界面在接触区域中是静止的，也会发生相不连续的形成。在相不连续的形成随后，Schallamach波在不连续上成集结，并在接触区内传播。集结的Schallamach波经常是界面破裂的原因。因此，与随机集结的Schallamach波相比，促进稳定Schallamach波的表面图案化通常拥有增强的抓持。
上面的讨论描述了在装置和目标表面之间的界面处拥有一些粘附性的现象。粘附机制可以是机械的、电荷引起的，或是抵抗重塑的复杂界面体积的形成。复杂界面的动力学也许是三者中最不为人所知的界面。
复杂的界面形成在至少有两相的地方，例如固液界面。当提到界面动力学时，可以通过考虑具有不同表面能或表面张力的两种液相来将相的概念一般化。两种不混溶的相可以被认为是两种不同的相。当两种液体在平衡条件下被迫分离时，抓持会增强，从而产生与破坏平衡状态相关联的能量不足。当平衡状态抑制在包括处于平衡的准相分离的液体的界面处的平移运动时，抓持增强。当这些相分离的状态在表面微结构上被捕获时，抓持显著增加。
粘附与表面能的概念相关联。在液体界面的情况下，表面能与润湿现象相关联。与固体或液体本体中的原子或分子相比，固体或液体表面处的原子或分子与相邻原子的键较少。当产生表面或界面时，能量被消耗在破坏键上。结果，表面处的原子具有更高的能量。如果液滴被放置在固体表面上，则液体和固体表面以被称为静态接触角的特征角一起达到平衡。接触角θ与固体疏水界面的表面能
Figure 584203DEST_PATH_IMAGE003
、固体-亲水界面的表面能
Figure 713833DEST_PATH_IMAGE004
、和亲水-疏水界面的表面能
Figure 324943DEST_PATH_IMAGE005
有关。
Figure 678564DEST_PATH_IMAGE006
。
润湿是液相和固相之间的关系，并且润湿对于流体钉扎是至关重要的。润湿的特征在于液体和固体表面之间的界面处的接触角。接触角代表液体和固体之间的分子间相互作用，其中相互作用的能量被最小化。接触角也可以与粘附力和内聚力之间的力平衡相关联。润湿在两种材料的结合或附着中是重要的。
另外，在运动中无论是在界面的前缘还是后缘上测量接触角，接触角通常发生变化。前接触角和后接触角之间的差异是接触角滞后。大接触角滞后与大粘附相关联。
当表面被微纹理化时，液滴可具有大的接触角，在这种情况下，液体坐落于微结构的顶部上。相反，具有小接触角的液滴流入微结构中。这些状态分别被称为Cassie状态和Wenzel状态。当Cassie状态和Wenzel状态并存在微结构表面上时，就会发生流体钉扎。Wenzel-Cassie状态是表面之间的另一种粘附形式。
有两种润湿类型：非反应性（静态）润湿和主动（动态）润湿。液体和固体之间的粘附力导致液滴遍布固体表面（Wenzel润湿）铺展。液体内的内聚力导致液滴滚圆并避免与表面接触（Cassie--Baxter润湿）。粘附力和内聚力的并置导致流体钉扎，这实质上是流体在表面上附着地铺展的趋势和流体抵抗在表面上吸附和铺展的趋势之间的平衡。
发明内容
我们已意外地发现，本装置的表面相对于环境表面的平移力是所施加的法向力和接触面积的非线性函数。另外，曾意外地发现，当装置和环境表面之间的接触面积与装置的表面面积近似成反比时，抓持通常增强，这意味着平移力增加。
在本发明中起作用的抓持机构包括设置在装置上的硬微结构和软的近似平坦的环境表面之间的抓持。在其他情况下，在本发明中起作用的抓持机构包括在装置上的软微结构和硬的近似平坦的环境表面之间的抓持。在其他情况下，本发明中的抓持机构包括平移力引起的微结构，这些微结构相互作用以抑制平移。
关于在软纹理表面上的抓持的意外结果的说明，申请人已经发现，装置上的垂直于平移方向对准的平行沟槽减少了摩擦力，但是由于平移力而在环境表面中引起了振荡，该平移力意外地产生大的动态抓持力，该力与表面接触面积和法向力无关，并且平移不足导致Schallamach波的形成。
人们曾发现Schallamach波中的势能和动能与平移所消耗的能量近似成正比。因此，抓持机制几乎完全是动态的，与摩擦力相反，摩擦力对平移抑制的最大贡献是静态摩擦系数。一般来说，对于摩擦，每单位平移长度每单位时间消耗的能量减少，而对于在本发明的一些设计中实现的一些抓持机构，消耗的能量增加。
因此，本申请的一个目的是公开具有形状可调的微结构的装置，通过向该装置施加应变，可以可逆地控制该装置微结构的深度和方向。
本申请的另一个目的是公开具有形状可调的微结构的装置，本装置的这些微结构的毛细管作用可以使液体在微观或纳米观尺度下的环境界面处成形，以通过微结构形状的变化来控制毛细管现象，从而控制液体-装置的对准。
本申请的另一个目的是公开拥有可调褶皱的触摸屏装置，所述可调褶皱拥有能够在期望的结果之间进行区分的形状相关的抓持力。
本申请的另一个目的是公开由本发明的装置建立的无磨损滑动界面，其中在装置上的形状可调的微结构上引起运动振荡，其中装置微结构和环境表面上的微结构之间的位置关系被设计成相对于微结构的形状（纵横比）使运动振荡最大化。
本申请的另一个目的是公开一种应变可调装置，其中当应变超过1%时，该应变可调装置屈曲成波长
Figure 476756DEST_PATH_IMAGE001
的褶皱，其中褶皱的波幅A与波长表现出平方反比关系，其使A在10至1000微米的范围内增加，更典型地，A在25微米至约100微米的范围内增加。
本申请的另一个目的是公开一种应变可调装置，其中纵横比A/
Figure 410077DEST_PATH_IMAGE001
在从约0.01至0.20的应变范围内与应变成平方反比。
本申请的另一个目的是公开一种应变可调装置，其中，抓持与该装置的杨氏模量和目标表面的杨氏模量之差成比例。
本申请的另一个目的是公开一种应变可调装置，其中，所引起的Schallamach波的波幅与该装置的杨氏模量和目标表面的杨氏模量之差成比例。
本申请的另一个目的是公开一种应变可调装置，其中，该装置包括两层或更多层，其中第一接触层相对于该装置远侧层的杨氏模量具有不同的杨氏模量。
本申请的另一个目的是公开一种应变可调装置，其中，该装置包括分级微结构，其中，在每个分级层中包括不同杨氏模量的基底材料。
本申请的另一个目的是公开一种应变可调装置，其中，该装置包括分级微结构，其中，该装置的基底本体的厚度被选择成产生目标表面的最大抓持。
本申请的另一个目的是公开一种装置，其中，该装置包括沿相反方向定向的表面微结构，使得在目标表面中引起的Schallamach波平行于微结构取向对准，使得双重定向的Schallamach波沿着Schallamach波的波幅叠加的中心线会聚，从而产生波幅大于Schallamach波的未叠加部分的波幅的Schallamach波。
本申请的另一个目的是公开一种包括表面微结构的装置，该表面微结构在装置和目标表面之间产生粘附连结，其中，剪切力的特征在于在紧邻接触区域的区域处的能量耗散。
本申请的另一个目的是公开一种包括表面微结构的装置，该表面微结构在装置和目标表面之间产生库仑锁定，其中，剪切力的特征在于在接触区域内的区域处装置和目标表面之间的表面能降低。
本申请的另一个目的是公开包括表面微结构的装置，所述表面微结构在装置和目标表面之间产生Schallamach犁削、粘附连结和库仑锁定。
本申请的另一个目的是公开一种包括表面微结构的装置，所述表面微结构在装置和目标表面之间产生库仑锁定，其中库仑锁定处于装置上微结构的空间周期性和目标表面的本征褶皱之间。
本申请的另一个目的是公开一种包括表面微结构的装置，该表面微结构在装置表面和目标表面之间的界面处分布外部剪切应力，使得剪切应力在装置和目标表面之间的接触区域上最大程度地均匀。
本申请的另一个目的是公开一种包括表面微结构和杨氏模量的装置，其在装置表面和目标表面之间的界面处分布外部剪切应力，使得装置和目标表面之间的每个接触点处的剪切应力矢量最小程度地偏离于该点处的目标矢量。
本申请的另一个目的是公开一种包括表面微结构和内部结构的装置，使得与目标表面接触的装置图案通过增加装置图案和目标表面周期性之间的弹性耦合来抑制连续的界面滑移。
本申请的另一个目的是公开一种包括可分为两种类型的表面微结构的装置。第一种类型的微结构是低模量的，并且被设计成用于小法向载荷，在小法向载荷的情况下，预期出现弱钉扎，其中，在抓持区域小于Larkin长度的地方建立由于力的空间波动而产生的抓持，在此处弹性变形占优势。第二种类型的微结构是高模量的并且被设计成用于高载荷，在高载荷的情况下，长度图案大于Larkin长度，其中，无序势占主导地位，并且图案界面的不同部分不变形，并保持固定钉扎中心。
本申请的另一个目的是公开一种包括表面微结构的装置，该表面微结构与目标表面相互作用的以引起增强抓持的表面变形，该装置包括已知的实现附着力、装置材料性质和所引起的褶皱几何形状之间的最佳尺度关系的弹性模量和界面性质。
本申请的另一个目的是公开一种装置，该装置具有牢固地抓持目标表面并且然后反复可逆地分离的能力。
本申请的另一个目的是公开一种装置，该装置具有与1）Schallamach波、2）滑移脉冲和3）分离脉冲单独地或组合交界的特征。
本申请的另一个目的是公开一种装置，该装置具有控制Schallamach波、滑移脉冲和分离脉冲通过该装置和目标表面之间的界面区域的传播的特征。
结合附图阅读以下说明书，本发明的这些和其他目的、特征和优点将变得更加明显。
附图说明
图1描述了装置和可变形表面之间的本征库仑锁定的Schallamach夹带机制。
图2描绘了本申请的装置，其图示了形状可调的微结构，通过向该装置施加应变来可逆地控制该装置的微结构的深度和方向。
图3描绘了本申请的具有形状可调的微结构的装置，其中，采用了毛细管作用。
图4描绘了形状可调的微结构植入物，其中，变形包括微结构的偏转和核心材料的应变。
图5描绘了形状可调的微结构植入物的俯视图，其中，所引起的Schallamach波导致微结构犁削。
图6图示了微结构装置和可变形表面之间的剪切力，其中，可变形表面中的所引起的波动超过Larkin长度。
图7描绘了一种装置可变形表面，其通过允许以微小滑移脉冲的形式周期性释放分离脉冲压缩能量来提供高剪切力抓持，而不产生装置-表面分离。
图8描绘了适于指尖表面纹理的微结构触摸屏。
图9描绘了适于抵抗来自水或碎片的污垢的分级微结构触摸屏。
图10A和10B描绘了包括柱和脊的通用形状可调表面。
图11描绘了应变可调装置的实施例。
图12描述了一种应变可调装置，其中抓持与该装置的杨氏模量和目标表面的杨氏模量之差成比例。
图13描绘了一种可调装置，其中通过将Schallamach波犁到钉扎结构上来增强抓持。
具体实施方式
为了促进对本发明的各种实施例的原理和特征的理解，下面解释了各种说明性实施例。尽管详细解释了本发明的示例性实施例，但是应当理解，设想了其他实施例。因此，意图并非本发明将其范围局限于以下描述中阐述的或附图中图示的部件的构造和布置结构的细节。本发明能够有其他实施例，并且能够以各种方式实践或实施。此外，在描述示例性实施例时，为了清楚起见，将采用特定的术语。
不管界面如何，表面纹理在一个表面相对于另一个表面的移动性中起着大的作用。微结构表面和可变形表面之间的相互作用的尺度由微结构装置的表面纹理限定。微观结构通常是分级的，并且特征在于至少三个空间尺度。
应该理解，在本公开中，分级意味着不同空间尺度的微结构。这些结构可以并排，或者可以堆叠在彼此顶部上。分级微结构被限定在在二维表面上，其特征在于维度x和y以及平面外维度z。每个微结构尺度可以由位于由函数f（x，y）描述的二维表面上的特征尺寸x’、y’和z’来限定。函数f（x，y）不一定是平面的。分级微结构是一组缩放的微结构，每个微结构的特征在于（x’，y’，z’）、（x”，y”，z”），依此类推；其中，第一微结构位于由（x，y，z1）限定的区域中，并且第二微结构位于由（x，y，z2）限定的区域中，依此类推。范围z1跨越由zmin< z1 < zmax限定的z值范围，依此类推。
堆叠的分级微结构是三维微结构，其中第一微结构的大部分位于区域z1中，并且第二微结构的大部分位于区域z2中，依此类推，使得关于任意一组欧几里得坐标（x，y，z），z1>z2>……。例如，分级微结构可包括一组高度为10且直径为2的圆柱体，它们布置在被布置在高度为100且直径为20的平面中的圆柱体的顶表面上。
如果特征尺寸尺度的比率通过常数因子缩放，则分级微结构是自相似的。自相似性可出现在所有尺度维度中，或者尺度维度的任何子集中。在圆柱体的示例中，如果节距满足恒定比率p1 / p2 = p2 / p3 =……= c（其中c是常数），则在不同空间尺度p1、p2、p3、……下的圆柱体之间的节距是自相似的。节距被定义为两个相同结构的中心之间的距离。在大多数情况下，对于给定类型的结构，节距是恒定的。纵横比是一个相关的量度，它被定义为结构的高度与其宽度的比率。
参考图1，示出了Schallamach夹带100机构。所描绘的是以横截面视图示出的第一规则间隔的平行脊图案化装置102，并且以横截面视图示出了被优化以夹带Schallamach波的平行脊图案化装置104。装置102和104相对于可变形表面108向右106移位。Schallamach波110产生。关于装置102，Schallamach波110减小了装置102和可变形表面108之间的接触表面。因此，在装置102的情况下，当Schallamach波产生时，保持平移106所需的剪切应力显著降低。相反，在装置104的情况下，相同的Schallamach波110被夹带112在微结构114之间的间隔中。Schallamach波110周期性相对地独立于接触装置上微结构的周期性。Schallamach波长110是可变形表面108的固有性质。在装置104的情况下，当如所描绘的那样发生夹带时，平移所需的剪切力显著增加。因此，装置104相对于可变形表面108固定。
图1图示了本装置104的表面相对于环境表面108之间的平移力是所施加的法向力和接触面积的非线性函数。图1图示了对于本发明的表面纹理化装置的权利要求，Schallamach波的夹带与经典摩擦模型相反，其中平移所需的剪切力随着运动而增加。在经典情况下，静摩擦系数高于动摩擦系数。
关于图2，本申请的装置图示了形状可调的微结构200，可以通过向装置施加应变来可逆地控制装置202的微结构的深度和方向。应当理解，图2是对本发明的仅一个特征的特别简单的图示。具有柔性微结构204的装置202平行于可变形表面206平移。最初可变形表面206是平坦的。装置202和可变形表面206之间的力引起Schallamach波208。微结构204之间的间距没有被调至Schallamach波208的空间周期性。然而，由于微结构204的可变形性质，Schallamach波208使微结构204变形，其中实现了夹带，如所描绘的那样。
关于图3，本申请的装置图示了形状可调的微结构300，其中采用了毛细管作用。预测目标可变形表面的Schallamach频率并不总是可行。一个折衷的策略是根据理想化的目标表面来使装置图案化。然而，如果毛细管作用有助于使目标可变形表面的固有频率调整至工程纹理化表面，则植入物的固定可以显著增强。例如，装置302具有间隔开的大的微结构304，以预期目标可变形表面。然而，可变形表面306具有与预期工程频率310稍有不同的Schallamach空间频率308。当可变形表面306使微结构304变形时，第二毛细管微结构312将可变形表面306拉入可用间隙310中。毛细管作用通过去除区域314中的水而在可变形表面306和装置302之间产生局部真空。
关于图4，本申请的装置图示了形状可调的微结构植入物，其中变形包括微结构的偏转和核心材料的应变。本发明的可应变装置400包括核心构件402和微结构404，其中，核心构件402形成在施加典型剪切力时在1%和20%之间应变的轮廓406。核心构件402在应变下屈曲成具有宽度410和波幅412的褶皱408。轮廓406以与纵横比波幅412除以宽度410平方反比地变化。平方反比意味着，当应变加倍时，宽度410比波幅41增加2的平方根倍。
关于图5，本申请的装置以俯视图图示了形状可调的微结构植入物，其中，所引起的Schallamach波导致微结构犁削。本发明的微结构装置500包括核心构件502和微结构504。可变形表面506相对于微结构装置500平移。Schallamach波508沿方向510指向。最终，Schallamach波分成两个部分512和514，其中每个部分指向交点516。部分512和514在交点516处相交，并阻止进一步平移518。
关于图6，图示了微结构装置和可变形表面之间的剪切力，其中可变形表面中所引起的波动超过了Larkin长度。Larkin长度被定义为特征长度，超过该长度，位移场的波动变得比钉扎中心的典型大小更大。如果将与表面接触的装置建模为位移场，则目标表面抑或装置中的不均匀性会在小区域中产生相对运动的波动。当那些波动超过Larkin长度这一特定大小时，钉扎中心然后就被破坏。
关于图7，图示了装置可变形表面界面700。抓持现象是两种类型的波叠加的结果，第一种波是Schallamach波本身702，并且第二种波是滑移脉冲704。滑移脉冲704具有不被包含在共振谱706中的波幅和频率，其中微结构708的空间频率与Schallamach波702的空间频率匹配。滑移脉冲704是对应于屈曲的弹性状态，其暂时地破坏势能和共振形式706之间的710处的稳态。
在一些情况下，滑移脉冲704耗散712，并且重新建立粘附。在其他情况下，滑移脉冲的能量增加，最终达到界面被充分破坏的波幅。在这种情况下，滑移脉冲致动分离脉冲714。在滑移脉冲704被耗散的情况下，分离脉冲714形成并位于界面的前沿上。在滑移脉冲704没有被耗散的情况下，分离脉冲714的能量通过相互作用区域716传输。
如图所示，当界面处于运动中时，可能具有同存在的三种波。换句话说，压缩波形成在界面中，分离波714形成在前缘上，并且来自分离波的能量以传播滑移波704的形式泄漏718到界面中。因此，根据上述三种所识别的波正确理解的特有的粘滑现象结果与不同的表面波相关联，每种表面波具有相当不同的波长和波幅。
示例1
一种拥有可调褶皱的触摸屏装置，该装置拥有能够在期望的结果之间进行区分的形状相关的抓持力。
参考图8，指尖表面802与纹理化液晶触敏屏幕804形成界面800。指尖表面802包括在水平区域808和竖直区域810中定向的一组曲线平行的脊806。触摸屏表面804包括在水平区域814和竖直区域816中定向的一组直线脊812。808的空间周期性与814的空间周期性匹配。810的空间周期性与816的空间周期性匹配。当手指表面802与屏幕表面804接触时，如以818所示，当施加剪切力820时，图案808与图案814锁定，并且当施加剪切力822时，图案810与图案816锁定。
应当理解，对于触摸屏不需要平移运动来记录沿两个不同正交方向820和822的力。触摸屏纹理812可以是一组弹性脊，其在剪切应力下轻微变形。因此，高度敏感的二进制操作可以被传送到本领域已知的计算系统。可以平铺具有多个纹理单元804的大触摸屏，如824所示。纹理单元804的直径可以是1毫米，更优选地在0.5 mm和100微米之间。假设纹理806是空间周期性812的整数倍，则纹理812可以拥有比空间周期性806小得多的空间周期性。
上述示例性发明在潮湿环境中特别有用，在潮湿环境中，水冷凝或触摸屏表面的污染通常会降低触摸屏灵敏度。表面可任选地是超疏水的或分级的。分级图案可包括用作疏水表面的小尺度和用作夹带表面的第二较大尺寸纹理。
参考图9，在触摸屏表面900上图示了单元表面纹理902。单元表面纹理902可具有本体厚度906或随后的反向图案908。最小纹理910包括直径为5-10微米的柱，其空间周期性为5-10微米且高度是直径的1-5倍。表面纹理910防水。中等纹理912包括直径为10-50微米的柱，其空间周期性为50-500微米且高度是直径的5-15倍。大纹理902是波幅为100-1000微米的二维正弦曲线。
示例2
本申请的发明的另一个示例是公开了由本发明装置建立的无磨损滑动界面，其中在装置上的形状可调的微结构上引起运动振荡，其中装置微结构和环境表面上的微结构之间的位置关系被设计成相对于微结构的形状（纵横比）使运动振荡最大化。参考图10，由交点1002和顶点1004限定的形状可调的表面1000限定柔性柱的位置，其直径范围为从图案直径1006的0.001至0.1。柱的高度在直径1006的0.01至0.1的范围内。柱的位置由下面参考图10B的列表A给出。
列表A
# x-位置 y-位置
1 0 1
2 -0.608622598509258 +0.7934598493833596
3 0 +0.7934598493833596
4 +0.608622598509258 +0.7934598493833596
5 - 0.635816922689476 +0.4763629221075360
6 - 0.392957431667828 +0.4763629221075360
7 0 +0.4763629221075360
8 +0.392957431667828 +0.4763629221075360
9 +0.635816922689476 +0.4763629221075360
10 - 0.960156979891524 +0.2794612208618352
11 - 0.540720052152901 +0.2794612208618352
12 - 0.259039898580079 +0.2794612208618352
13 0 +0.2794612208618352
14 +0.259039898580079 +0.2794612208618352
15 +0.540720052152901 +0.2794612208618352
16 +0.960156979891524 +0.2794612208618352
17 - 0.312424461152494 +0.1735331684773765
18 - 0.186995709167944 +0.1735331684773765
19 0 +0.1735331684773765
20 +0.186995709167944 +0.1735331684773765
21 +0.312424461152494 +0.1735331684773765
22 - 0.258935022478938 +0.0570312197255712
23 - 0.107759961187845 +0.0570312197255712
24 0 +0.0570312197255712
25 +0.107759961187845 +0.0570312197255712
26 +0.258935022478938 +0.0570312197255712
27 - 0.356771892930644 - 0.1014104659508991
28 - 0.184519704980561 - 0.1014104659508991
29 0 - 0.1014104659508991
30 - 0.184519704980561 - 0.1014104659508991
31 - 0.356771892930644 - 0.1014104659508991
32 - 0.960156979891524 - 0.2794612208618352
33 - 0.540720052152901 - 0.2794612208618352
34 - 0.270779327054887 - 0.2794612208618352
35 0 - 0.2794612208618352
36 - 0.270779327054887 - 0.2794612208618352
37 - 0.540720052152901 - 0.2794612208618352
38 - 0.960156979891524 - 0.2794612208618352
39 - 0.650883958969493 - 0.4980534042540907
40 - 0.376680058433962 - 0.4980534042540907
41 0 - 0.4980534042540907
42 +0.376680058433962 - 0.4980534042540907
43 +0.650883958969493 - 0.4980534042540907
44 - 0.542400124699129 - 0.8401202918191951
45 0 - 0.8401202918191951
46 +0.542400124699129 - 0.8401202918191951
47 0 - 1
示例3
参考图11，应变可调装置1100夹带由应变1104引起的Schallamach波1102。当装置应变1106超过1%时，应变可调装置1100使1108屈曲成波长1110的褶皱，其中褶皱1008的波幅1112表现出与波长1110的平方反比关系，其使波幅1112在10至1000微米的范围内增加，更典型地1112在从25微米至约100微米的范围内。优选地，应变可调装置，其中纵横比（波幅1112/波长1110）相对于在从约0.01至0.20的应变范围内的应变成平方反比。
任选地，柱1114可如所描绘的那样是渐缩的，或者是直圆柱体。优选地，柱1114具有轴向指向的槽或脊1116，或者任选地同心指向的槽或脊1118。
在示例3中有用的材料是弹性聚氨酯或硅树脂。适合于构造图案化表面的聚合物包括聚酯聚氨酯。聚酯聚氨酯是与丙交酯二醇共聚的聚氨酯。
丙交酯二醇的制备
化合物 来源
<u>1,6-己二醇</u> <u>Acros</u>
<u>甲苯</u> <u>Acros</u>
<u>D,L-丙交酯</u> <u>SAFC</u>
<u>L,L-丙交酯</u> <u>Aldrich</u>
<u>乙基己酸锡</u> <u>SigmaAldrich</u>
<u>氯仿</u> <u>SigmaAldrich</u>
<u>二乙醚</u> <u>Sussmann</u>
该程序将在用低温蒸馏（干燥）氩气或氮气持续吹扫的封闭容器中执行。将30克1,6-己二醇放入配备有磁力搅拌棒的2升带刻度的平底烧瓶中的600 ml甲苯中。烧瓶应加盖2孔塞子，一个孔配备有输入导管，且另一个孔配备有连接到集油器的输出导管（以防止水蒸汽回流）。将输入导管连接到氮源，并且使氮气以近似5升/小时的速度流动。将烧瓶放在磁力搅拌器/热顶组合上。
搅拌甲苯溶液，同时将溶液温度升至70℃，并且此后以10℃的增量升高，直到己二醇完全溶解。在溶解时，应注意溶液体积。温度和氮气流将持续进行，直到溶液体积下降150ml。温度可升至130℃，以促进甲苯蒸发。
将通过注射器来回收（以避免与潮湿空气接触）溶液样品，并通过真空蒸发来去除甲苯。对固体己二醇执行卡尔费歇尔（Karl Fischer）含水量测量。
继续上述蒸馏程序，直到水含量< 300 ppm H2O（以重量计）。将在氮气下冷却并储存该溶液。
使用上述装置，在氮气流下搅拌的同时，通过加热至115℃，将150克D,L-丙交酯和150克L,L-丙交酯溶解在1750 ml甲苯中。
在溶解时，应注意溶液体积，并将温度升至130℃。将使氮气流持续，直到去除400ml甲苯。
将通过注射器来回收（以避免与潮湿空气接触）溶液样品，并通过真空蒸发来去除甲苯。对固体己二醇执行卡尔费歇尔含水量测量。
继续上述蒸馏程序，直到水含量< 300 ppm H2O（以重量计）。将在氮气下冷却并储存溶液。
称一个适当大小的烧瓶（4L）。注意烧瓶重量，优选地重量包括封闭装置或具有封闭的导管断开的塞子。将己二醇和丙交酯溶液在称好的烧瓶中混合，连接到氮气流并搅拌。将组合后的溶液以10℃的增量加热至70℃。
15分钟之后，使用1 cc注射器逐滴加入600 mg乙基己酸锡，同时剧烈搅拌。溶液的温度将以10℃的增量升至120℃。[如果使用温度受控的加热罩，则温度上升将足够慢，使得10℃加热增量可以忽略不计。]。
关闭氮气流，同时保持导管连接，使得溶液体积被封闭而不与空气接触。在搅拌和加热的同时，反应5个小时。再加入400 mg乙基己酸锡。用氮气冲洗。再持续另外3小时。再另外加入400 mg乙基己酸锡。用氮气冲洗。在120℃下另外持续11小时。将溶液温度降至70℃。将集油器的输出端口连接到真空源。停止搅拌和加热，直到甲苯被去除。停止真空。加入800ml干燥氯仿，用氮气冲洗，在70℃下搅拌，直到固体被完全溶解。使用0.2微米PTFE过滤器来过滤所产生的混浊溶液。在真空下从滤液中去除溶剂。使用卡尔-费歇尔法测量干燥固体样品的含水量。含水量将< 300 ppm。如果不在该规范范围内，则可以通过氯仿蒸馏来干燥固体。
聚酯聚氨酯的制备
原材料
化合物 物质的量
IPDI（异佛尔酮二异氰酸酯） 202.9 mmol
1，4-丁二醇 142.8 mmol
甲苯 2000 ml
二丁基二锡 11.6 mmol
PTMG 2000（四氢呋喃均聚醚2000） 20.1 mmol
PLA二醇AP1756 40.3 mmol
所有操作都将在氮气和干燥溶剂下执行。
建议的设备：
推荐使用2升、四端口（其具有用于引入电动搅拌棒的中心端口）的带刻度的玻璃反应器。搅拌棒优选地是带有倾斜叶片的多层以避免层流混合。反应器将配备有加热罩，加热罩配有热电偶和可编程的温度控制器。[优选地，罩也具有冷却能力，其中流体填充的罩与循环控制单元结合使用。]优选地，反应体积不暴露于热电偶，而是相反，热电偶嵌入加热罩中。由于最终产物的高粘度以及对快速且完全混合的需要，不鼓励使用磁力搅拌棒。两个自由端口将配备有用于输送和去除氮气的导管。输出端口将连接到集油器，以防止水蒸气回流。理想地，导管包含阀，以在不暴露于空气的情况下提供对反应体积运送。最后一个端口，即诊断端口，将用于加入和取回反应体积。应在正分压下输送氮气气氛，以补偿外部搅拌装置和诊断端口的周期性打开。通过观察集油器中的氮气气泡来指示分压，并且它们的产生速率可以用于设置和保持合理的氮气流速。
用氮气吹扫反应器。使用上述装置，加入40.32克从上述程序获得的PLA二醇和40.11克四氢呋喃均聚醚2000以及810 ml甲苯。将搅拌速度设置为每分钟100次循环。通过加热到115℃，同时在氮气流下搅拌来完成溶解。
溶解时，应注意溶液体积，并将温度升至130℃。氮气流将持续，直到200 ml甲苯被去除。
将反应器冷却至15℃（或室温，如果罩未配备有冷却剂）。在搅拌的同时，经由诊断端口且在氮气流下加入30ml甲苯，随后加入45.09克IPDI。搅拌30分钟。逐滴加入6.74 ml二月桂酸二丁基锡。
使用诊断端口，去除溶液样品以测量%NCO。可以使用使用二丁胺返滴定法测量%NCO。通过这种方法，传统地至少进行3次NCO测量，或者您可以这样做，直到获得期望的标准偏差。
将反应器温度升至75℃。在氮气流下，使混合物在75℃下反应4小时。测量NCO。另外反应1个小时，测量NCO。如果在5小时时的NCO小于在4小时时测量值的95%，则继续反应1小时的持续时间，直到连续测量之间的NCO变化小于5%。
使用制备PLA二醇的装置，将12.872 g丁二醇溶解在230 ml的干燥甲苯中。通过加热到75℃来完成溶解。
向反应器加入丁二醇溶液。在氮气流下，使混合物在75℃下反应9小时。测量NCO。另外反应一个小时，测量NCO。如果在10小时时的NCO小于在9小时时的测量值的95%，则继续反应1小时的持续时间，直到连续测量之间的NCO变化小于5%。
在该程序的过程期间，可加入甲苯以降低反应物的粘度并改善混合。在这个反应期间会产生相当大的扭矩。
当NCO已经稳定时[如果没有水进入系统，则这应该在批次之间可重现]，将反应体积倾倒到真空室中。如果反应体积仍然是热的，则这更容易执行。施加真空并去除甲苯，并且将所得到的固体溶解在1000 ml THF中。使聚合物在15L戊烷中沉淀，过滤并用戊烷反复洗涤，并且在50℃下在真空下干燥。正戊烷可以从Acros获得，并在再蒸馏之后使用，并且THF（也来自Acros）按原样使用。
所得到的聚酯氨基甲酸酯具有132℃的熔融温度，并且可在大多数溶剂（例如甲苯和丙酮）中溶解。因此，可以通过在模具上进行溶液浇铸或在模具上熔融挤出来制造示例3的纹理化表面。
示例4
参考图12，描绘了应变可调装置1200，其中抓持与装置的杨氏模量和目标表面的杨氏模量之差成比例。这种应变可调装置作为自定位植入物是有用的。例如，示例3的聚氨酯极具弹性，并且通常具有100%至约800%的断裂应变值。由于大多数生物组织是弹性的，因此，构造遵循打算将装置放置在其上而不会滑移的组织的自然弹性的表面是有用的。例如，在体内组织表面之间放置防粘附屏障。
尤其感兴趣的是器官和肌肉组织的屈曲波长，考虑到目标组织的杨氏模量范围为25 -100 kPa，屈曲波长的范围为50-200微米。因此，节距大于200微米的任何大尺度微结构足以稳定微结构装置，防止其在皮肤上屈曲。假设大尺度微结构的波幅在50 - 200微米的范围内，则对于更接近50微米的节距而言，将发生更大的分级钉扎。
组织的Schallamach波波幅和频率同与组织接触的表面的波幅和频率的匹配使将表面装置定位到目标组织所需的特征的大小和粗糙度最小化。这一考虑尤其重要，因为粗糙表面和组织之间的任何滑动都会引起组织粘附，这是与许多植入物相关联的不利事件。
参考图12，防粘附植入物表面1200具有滑的光滑表面1202和纹理化侧1204。纹理化侧1204被设计成附着到组织侧1206，并且光滑侧1202被设计成抵抗装置侧1202和第二组织侧1208之间的组织粘附。装置1200的厚度1210为从20微米到1000微米。柱1212高10至100微米，直径10至100微米，并且间隔在50至200微米之间。较小的柱1214高5至10微米，直径5至10微米，并且间隔在7至25微米之间。
通过调节本示例的厚度1210，获得了一种应变可调装置，其中，在组织中引起的Schallamach波的波幅与该装置的杨氏模量和目标表面的杨氏模量之差成比例。
任选地，参考图12，装置1200包括两层或更多层，其中，第一接触层1216相对于装置的远侧层1218的杨氏模量拥有不同的杨氏模量。特别地，光滑层1216的模量不同于微结构1218的模量。
任选地，应变可调装置1200包括分级微结构，其中，在每个分级层1112和1214中包括不同杨氏模量的基底材料。
任选地，应变可调装置1200包括分级微结构，其中，选择装置的基底本体的厚度1216以产生对目标表面的最大抓持。
示例5
参考图13，本发明的抓持装置1300采用脊1302和柱1304，使得在剪切力下与装置1300接触的组织引起组织朝向柱1304犁削1306。柱1304和脊1302可布置成条带1308和1310，或以任何规则的图案布置。脊1302具有方向性，并且两个脊条带1310和1312可以使其方向性相反。
组织犁削1306在柱1308的区域中引起Schallamach波。因此，有利的是将柱间隔1314，使得1314对应于所引起Schallamach波的空间周期性。
因此，可以理解的是，用抓持装置获得的附加抓持力包括沿相反方向定向的表面微结构，使得在目标表面中引起的Schallamach波平行于微结构取向对准，使得双重定向的Schallamach波沿着Schallamach波的波幅叠加的中心线会聚，从而产生波幅大于Schallamach波的未叠加部分的波幅的Schallamach波。
因此，参考图13，在表面褶皱可能累积而不滑移的区域1308中可能没有结构。此外，这些累积区域可垂直于（如图所示）或平行于平移方向1316定向。
一般地由示例5描述的表面纹理布置结构在定位纹理化装置中特别有效的一个原因是由于表面微结构在装置和目标表面之间产生粘附连结，其中剪切力的特征在于紧邻接触区域1308的区域1310处的能量耗散。或者相反地，当1308没有纹理时。
特别地，示例5在装置和目标表面之间产生库仑锁定，其中剪切力的特征在于，在接触区域内的区域处，装置和目标表面之间的表面能降低。
优选地，示例5包括表面微结构，该表面微结构在装置和目标表面之间产生Schallamach犁削、粘附连结和库仑锁定。
更优选地，示例5包括在装置和目标表面之间产生库仑锁定的表面微结构，其中库仑锁定处于装置上微结构的空间周期性和目标表面中的本征褶皱之间。
在本申请的其他示例中，诸如在示例4中，包括表面微结构的装置在装置表面和目标表面之间的界面处分布外部剪切应力，使得剪切应力在装置和目标表面之间的接触区域上最大程度地均匀。该特征在植入物应用或与人体组织有规律地接触的表面中特别有用。
本申请的一般操作原理是对包括表面微结构和杨氏模量的装置的公开，其在装置表面和目标表面之间的界面处分布外部剪切应力，使得装置和目标表面之间的每个接触点处的剪切应力矢量最小程度地偏离于该点处的目标矢量。
本申请的另一个目的是公开一种包括表面微结构和内部结构的装置，使得与目标表面接触的装置图案通过增加装置图案和目标表面周期性之间的弹性耦合来抑制连续的界面滑移。
一般来说，本申请的装置是包括可分为两种类型的表面微结构的装置。第一种类型的微结构是低模量的并且被设计成用于小法向载荷，在小法向载荷的情况下，预期出现弱钉扎，其中在抓持区域小于Larkin长度的地方建立由于力的空间波动而产生的抓持，在此处弹性变形占优势。第二种类型的微结构是高模量的并且被设计成用于高载荷，在高载荷的情况下，长度图案大于Larkin长度，其中无序势占主导地位，并且图案的不同部分交界且不变形，并且保持固定钉扎中心。
从本文给出的教导可以理解，本申请公开了包括表面微结构的装置，所述表面微结构与目标表面相互作用以引起增强抓持的表面变形，该装置包括已知的弹性模量和界面性质，其实现了附着力、装置材料性质和所引起的褶皱几何形状之间的最佳尺度关系。
本发明的另一个一般特征是这样的装置，该装置具有牢固地抓持目标表面并且然后反复地可逆地分离而不会损坏目标表面的能力。
本发明的另一个一般特征是具有单独地或组合地与1）Schallamach波、2）滑移脉冲、和3）分离脉冲交界的特征的装置。
本发明的另一个一般特征是具有这样的特征的装置：其控制Schallamach波、滑移脉冲和分离脉冲通过装置和目标表面之间的界面区域的传播。

Claims (25)

1.一种具有抓持表面的装置，所述抓持表面包括形状可调的表面微结构，其中，所述微结构的高度、宽度和空间周期性对应于目标表面的Schallamach波波幅和波长的整数倍，其中，通过向所述装置施加应变来夹带所述装置微结构和所引起的Schallamach波。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构在所述微结构和所述目标表面之间产生毛细管作用，其中，存在于所述目标表面处的液体被吸入微观或纳米观的表面纹理尺度中的至少一者中，并且其中，当向所述形状可调的表面装置施加应变时，所述毛细管现象通过所述形状可调表面的微结构形状的变化得以保持。
3.根据权利要求1所述的抓持表面装置，其中，所述形状可调的表面微结构包括拥有可调褶皱的触摸屏装置表面，所述可调褶皱拥有能够在期望结果之间进行区分的形状相关的抓持力。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构响应于有意的人的接触而引起离散的结果。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构由于由所述表面建立的滑动界面而耐磨损，其中，装置上的形状可调的微结构上引起运动振荡，其中所述装置微结构和所述目标表面上的微结构之间的位置关系被设计成使相对于所述微结构的形状的运动振荡最大化。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，当应变超过1%时，所述形状可调的表面微结构在功能上被激活，其中，所述微结构与应变组合导致所述形状可调装置屈曲成预期波长的褶皱，其中，所述褶皱的波幅表现出与空间波长的平方反比关系，其中，所述波幅在10至1000微米的范围内减小，更通常地在25微米至约100微米的范围内减小。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构包括波幅和空间波长，其中，波幅比波长的纵横比相对于在从约0.01至0.20的应变范围内的应变成平方反比。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构和所述抓持表面装置的组成被选择成使得剪切应力与所述组成的杨氏模量和目标表面的杨氏模量的差异成比例。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构被选择成引起波幅与所述组成的杨氏模量和所述目标表面的杨氏模量之差成比例的Schallamach波。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置包括两层或更多层，其中，第一接触层相对于所述装置的远侧层的杨氏模量拥有不同的杨氏模量。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构包括分级微结构，其中，每个分级的层包括不同杨氏模量的基底材料。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构包括分级微结构，其中，所述装置的基底本体的厚度被选择成产生针对目标表面的最大抓持。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置包括沿相反方向定向的表面微结构，使得在目标表面中引起的Schallamach波平行于所述微结构取向对准，使得双重定向的Schallamach波在Schallamach波波幅叠加的地方沿着中心线会聚，从而产生波幅大于Schallamach波的未叠加部分的波幅的Schallamach波。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构在所述装置和所述目标表面之间产生粘附连结，其中，所述剪切力的特征在于在紧邻所述接触区域的区域处的能量耗散。
15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构在所述装置和所述目标表面之间产生库仑锁定，其中，所述剪切力的特征在于在所述接触区域内的区域处所述装置和所述目标表面之间的表面能降低。
16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构在所述装置和所述目标表面之间产生Schallamach犁削、粘附连结和库仑锁定。
17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构在所述装置和所述目标表面之间产生库仑锁定，其中，所述库仑锁定处于所述装置上微结构的空间周期性和所述目标表面中的本征褶皱之间。
18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构在装置表面和目标表面之间的界面处分布外部剪切应力，使得所述剪切应力在装置和目标表面之间的接触区域上最大程度地均匀。
19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构和所述装置的组成的杨氏模量在装置表面和目标表面之间的界面处分布外部剪切应力，使得所述装置和目标表面之间的每个接触点处的剪切应力矢量最小程度地偏离于该点处的目标矢量。
20.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构在与所述目标表面接触时通过增加装置图案和目标表面周期性之间的弹性耦合来抑制连续的界面滑移。
21.一种包括表面微结构的装置，所述表面微结构可分为两种类型：a）第一种类型的微结构是低模量的，并且被设计成用于小法向载荷，在小法向载荷的情况下，预期出现弱钉扎，其中，在抓持区域小于的Larkin长度的地方建立由于力的空间波动而产生的抓持，在此处弹性变形占优势；以及b）第二种类型的微结构是高模量的，并且被设计成用于高载荷，在高载荷的情况下，长度图案大于Larkin长度，其中，无序势占主导地位，并且图案界面的不同部分不变形，并保持固定钉扎中心。
22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构与目标表面相互作用，以引起增强抓持的表面变形，所述装置包括已知的弹性模量和界面性质，所述弹性模量和界面性质实现附着力、装置材料性质和所引起的褶皱几何形状之间的最佳尺度关系。
23.根据权利要求21所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构与目标表面相互作用，以牢固地抓持目标表面，并且然后与所述目标表面可逆地分离。
24.根据权利要求1所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构与目标表面相互作用，所述目标表面具有与目标表面的1）Schallamach波、2）滑移脉冲和3）分离脉冲单独地的或组合地交界的特征。
25.根据权利要求21所述的装置，其中，所述形状可调的表面微结构与目标表面特征相互作用，以控制Schallamach波、滑移脉冲和分离脉冲通过所述装置和目标表面之间的界面区域的传播。
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