CN115351951A - 干性粘附结构、其制备方法以及仿生制品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备干性粘附结构的方法、一种干性粘附结构以及仿生制品。本发明的制备干性粘附结构的方法具有更低的成本和复杂性，更具灵活性和可扩展性，并且所制备的干性粘附结构以及仿生制品具有更高的性能。

Description

干性粘附结构、其制备方法以及仿生制品

技术领域

本发明涉及仿生领域，尤其是既能粘附和适应不同表面形貌又能轻易主动脱附的可控干性粘附结构，其制备方法以及包括控干性粘附结构的仿生制品。

背景技术

在自然界中，许多动物，尤其是壁虎，都具有皮肤上的微结构，可实现快速且无残留的干性粘附。这种粘附主要是通过范德华力和部分毛细管力实现的。而目前广泛应用的粘合剂几乎都是湿性粘合剂(如粘合胶带、胶水)，存在易退化、易污染、自粘附、以及撕开后难以再次使用等缺点。

在过去的十年中，研究人员一直在尝试创建复制壁虎样粘附的微结构干式粘合剂的合成模拟物。这些合成干性粘附剂的吸引人的优点激发了许多独特设备的发明，包括爬墙机器人、清洁运输和微重力机械手。尽管粘附强度很高，但粘附剂必须是可控的，以促进实际应用的开关控制。壁虎绒毛的分级层次结构，特别是其微米级刚毛/纳米级绒毛的微米-纳米层次结构，是保证壁虎绒毛既产生巨大粘附力又能适应不同表面形貌并可轻易主动脱附的关键，也为干性粘合剂的仿生设计与制作提供了极好的范例和启示，然而，目前利用这种方法制备的可控干性粘附剂的设计通常涉及不对称和分层结构，这些结构繁琐复杂且制造成本高。

因此，开发高性能干性粘附剂的设计和具有成本效益的制造技术的组合至关重要。

发明内容

在本发明中，提出了一种新的可控干性粘附结构，其制备方法以及包括控干性粘附结构的仿生制品。

具体来说，本发明提供了：

1.一种制备干性粘附结构的方法，包括下列步骤：

(1)使用刻划技术在模具上创建表面图案，该表面图案包括行列排布的凹槽和凹槽之间的突起物；

(2)将模具上的具有表面图案的一侧与可固化弹性体材料紧密接触；

(3)将所述可固化弹性体材料固化，得到复制了所述表面图案的固化弹性体；以及

(4)将固化弹性体与模具分离，从而得到所述干性粘附结构。

其中，所述刻划技术选自金刚石尖端刻线技术以及激光刻线技术中的至少一者。

其中，所述干性粘附结构包括背衬层以及在背衬层上的多个倾斜V形凹槽，相邻的V形凹槽之间具有倾斜的楔形突起物。

其中，所述金刚石尖端刻线技术包括V形尖头金刚石工具。

其中，所述模具包含金属材料，

任选地所述凹槽为V形、梯形以及方形中的至少一者。

其中，所述凹槽在所述模具表面上的深度为10-100微米，所述凹槽的尖端角度为10-40度并且所述V形凹槽相对于垂直于模具表面的法线的倾斜角度为5-45度。其中，步骤(1)包括通过采用V形尖头金刚石工具沿着工具移动轨迹对着所述模具表面刻线来形成所述尖端角度和所述倾斜角度。

其中，步骤(1)包括通过将所述V形尖头金刚石工具在每次刻线时以少量的增量压痕进行多次刻线来形成所述深度。

其中，步骤(1)包括

步骤(1)包括使用V形尖头金刚石工具以5mm/min–500mm/min的单次刻线速度在模具上多次刻线创建所述表面图案。

其中，所述可固化弹性体材料包含下列中至少一者：有机硅、聚氨酯和聚酰胺。

其中，所述方法在步骤(1)之后还包括：将所述模具固定在深度高于表面图案的模具箱中，以进行图案复制。

其中，所述步骤(2)包括将所述可固化弹性材料置于预涂底漆的树脂膜上，然后将所述可固化弹性材料压到模具的所述表面图案上，以进行浇铸。

其中，所述步骤(5)包括沿着所述凹槽延伸的方向将固化弹性体与模具剥离，从而得到所述干性粘附结构。

其中，所述工具移动轨迹包括所述V形尖头金刚石工具的尖头在模具表面从一侧到相对的另一侧以直线移动。

2.一种干性粘附结构，包括：

衬底层；

在所述衬底层上的表面图案，该表面图案包括行列排布的多个倾斜凹槽和倾斜凹槽之间的多个楔形突起物。

其中，所述凹槽为V型凹槽，并且所述突起物为楔形突起物，其中多个V形凹槽的尖端沿着衬底宽度的线在所述表面图案中彼此平行排列，并且多个楔形突起物的尖端沿着衬底宽度的线在表面图案中彼此平行排列。

其中，多个楔形突起物具有暴露的表面并且该暴露的表面具有镜面状的表面光洁度。

3.一种仿生制品，包括上述任意一项所述的方法制备的干性粘附结构或者上述任意一项所述的干性粘附结构。

其中，所述仿生制品选自爬墙机器人、放生吸盘、清洁运输器和微重力机械手中的至少一者。

其中，所述仿生制品包括主体以及以表面图案朝外的方式附接到主体上的干性粘附结构。

本发明的方法以及所制备的可控干性粘附剂，特别是通过提出基于金刚石尖端刻划技术的独特制造方法解决了多个现有技术存在的制造问题。在现有技术中，可控干性粘附剂的模具由于制作方法和模具材料的限制，不能重复使用。本发明提出的制造方法的第一个优点是它允许创建由刚性材料(如金属)构成的可重复使用的模具，以用于制备可控的干式粘附结构。可重复使用的模具允许通过注塑成型批量生产可控的干式粘附结构，从而显著降低单价。本发明提出的制造方法也具有灵活性和可扩展性，这为粘附结构设计提供了更大的自由度。

本发明提出的制造方法的第二个优点是它提供了高质量和高性能的粘附结构而不需要额外的处理。在现有技术中，为了获得光滑的表面光洁度并将粘附结构转印为所需的形状，需要进行复杂的后处理，如喷墨等。在本发明中，制造方法允许创建具有镜面表面光洁度和可直接转移到粘附结构上的精确特征形状的模具，从而消除了任何后处理的需要。这些特性导致可控干式粘附结构的粘附力和可控性增强，这对于实际应用是至关重要的。

此外，现有的方法以及制备的粘合剂而言，本发明的干性粘合结构本身更易制备(例如能够通过单独的机械加工就形成V形或者楔形结构，而不需要进行预先粗加工以及/或用金刚石精加工工具进行表面精加工或者抛光加工)，需要更少的初始压力贴合，同时也更易于脱离，可控性更优。

另外，相比现有的金刚石车削法或者加工法，使用本发明的方法所制备的干性粘附结构表面更加光滑，凹槽尖端更加锐利，加工精度也更高一致性更好。在粘附性能的改善为更大的粘性，不需要额外步骤处理表面。此外，本发明所制得的模具寿命更长。

最后，本发明的制备方法允许使用超高精密度的金刚石刻划技术，因此，可以直接通过在模具上进行多次刻划获得所需的表面图案(例如包含锐利的楔形结构)，从而显示出更高的性能。与此相比，很多现有的方法使用金刚石车削法加工模具，从而导致只能获得圆形的楔形结构，具有较低的性能。

附图简要说明

基于以下附图对本公开的示例性实施方案进行详细说明，其中：

图1A-F是根据本发明的一个实施方式的可控干性粘附结构的制造过程的示意图。

图2是根据本发明的一个实施方式的用于在模具表面上制造单个V形凹槽的几何形状和参数的详细示意图。

图3A-C是根据本发明的一个实施方式的模具表面上的V形凹槽倾斜角分别为(A)0°、(B)15°和(C)30°的情况的显微正视图。

图4为本发明的一个实施方式的采用图3B的模具制造的可控干式粘附结构在扫描电镜下的俯视图。

图5是图4的可控干式粘附结构在扫描电镜下的正视图。

图6是本发明的一个实施方式的图4的可控干式粘附结构在以下情况下的粘附力测量曲线图：1)在法线方向加载预载荷以使粘合剂与测试基板接合，2)沿着夹持方向(沿倾斜方向)水平拖动；和3)从测试基板上拉下。

图7为本发明一个实施方式的不同可控干式粘附结构(V形凹槽的倾斜角分别为0°、15°和30°倾角)在夹持和释放方向上加载时的平均法向粘附力的测量图。

图8是根据本发明的一个实施方式的具有不同预载荷的可控干式粘附结构的最大法向粘附力测量图。

图9是根据本发明一个实施方式的不同可控干式粘附结构(V形凹槽的倾斜角分别为0°、15°和30°)的各向异性比测量值的比较图。

具体实施方式

面详细描述本发明的实施方案。下面描述的实施方案是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施方案中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

定义和一般术语

现在详细描述本发明的某些实施方案，其实例由随附的结构式和化学式说明。本发明意图涵盖所有的替代、修改和等同技术方案，它们均包括在如权利要求定义的本发明范围内。本领域技术人员应认识到，许多与本文所述类似或等同的方法和材料能够用于实践本发明。本发明绝不限于本文所述的方法和材料。在所结合的文献、专利和类似材料的一篇或多篇与本申请不同或相矛盾的情况下(包括但不限于所定义的术语、术语应用、所描述的技术，等等)，以本申请为准。

应进一步认识到，本发明的某些特征，为清楚可见，在多个独立的实施方案中进行了描述，但也可以在单个实施例中以组合形式提供。反之，本发明的各种特征，为简洁起见，在单个实施方案中进行了描述，但也可以单独或以任意适合的子组合提供。

除非另外说明，本发明所使用的所有科技术语具有与本发明所属领域技术人员的通常理解相同的含义。本发明涉及的所有专利和公开出版物通过引用方式整体并入本发明。

除非另外说明，应当应用本文所使用的下列定义。出于本发明的目的，化学元素与元素周期表CAS版，和《化学和物理手册》，第75版，1994一致。此外，有机化学一般原理可参考“Organic Chemistry”,Thomas Sorrell,University Science Books,Sausalito:1999,和“March's Advanced Organic Chemistry”by Michael B.Smith and Jerry March,JohnWiley&Sons,New York:2007中的描述，其全部内容通过引用并入本文。

除非另有说明或者上下文中有明显的冲突，本文所使用的冠词“一”、“一个(种)”和“所述”旨在包括“至少一个”或“一个或多个”。因此，本文所使用的这些冠词是指一个或多于一个(即至少一个)宾语的冠词。例如，“一组分”指一个或多个组分，即可能有多于一个的组分被考虑在所述实施方案的实施方式中采用或使用。

术语“包含”为开放式表达，即包括本发明所指明的内容，但并不排除其他方面的内容。

另外，需要说明的是，除非以其他方式明确指出，在本发明中所采用的描述方式“各…独立地为”与“…各自独立地为”和“…独立地为”可以互换，均应做广义理解，其既可以是指在不同基团中，相同符号之间所表达的具体选项之间互相不影响，也可以表示在相同的基团中，相同符号之间所表达的具体选项之间互相不影响。

在过去的研究中，研究人员已经制造出具有各向异性表面微结构的粘合结构，以获得可控的干式粘附。广泛采用的设计包括在纤维状结构茎上具有各种几何形状的不对称尖端。然而，目前用于微尺度不对称和分层几何形状的制造方法通常需要光刻和精确控制的上墨工艺。受壁虎刚毛是倾斜的并指向特定方向的事实的启发，还制造了倾斜或倾角的结构化粘合剂，其具有基于各向异性的弯曲模量、接触面积和剥离角的各向异性的粘附和摩擦。已经使用一系列光刻和电子束曝光技术成功地制造了实现可控制的干附着力的纳米绒毛。还还采用了有角度的光刻技术来制造离散的楔形干粘附结构，这种粘附结构已经证实具有壁虎般的粘合力。然而，离散的楔形粘附结构表现出双向行为，并且制造过程效率低且成本高。另据报道，光刻模具中涉及的化学品，通常是SU-8，会抑制某些有机硅弹性体的固化，进一步限制了其应用。

超精密和微加工的最新进展使得能够以非化学方式更有效地制造可控干式粘附结构。这些方法已经被业界广泛采用，例如，制造具有接近光学表面光洁度和亚微米几何误差的菲涅耳透镜模具。已经通过在蜡模上进行微加工制造仿壁虎的可控粘合剂，然后进行后处理以改变尖端几何形状并降低表面粗糙度。由于机械性能较差，蜡模只能持续一到两个铸造周期。还通过超精密金刚石切割技术制造了用于楔形定向粘合剂的金属模具。然而，该方法仅限于产生圆形楔形图案，因此该图案只有一小部分可供利用，显著降低了粘附结构的性能。

因此，仍然需要一种具有经济制造方法的高性能可控干式粘附结构设计。本发明旨在通过改进的可控干粘合剂设计和新颖的制造方法来解决前述问题。

在本发明的一个实施方式中，提供了一种制备干性粘附结构的方法，包括下列步骤：

(1)使用刻划技术在模具上创建表面图案，该表面图案包括行列排布的凹槽和凹槽之间的尖锐突起物；

(2)将模具上的具有表面图案的一侧与可固化弹性体材料紧密接触；

(3)将所述可固化弹性体材料固化，得到复制了所述表面图案的固化弹性体；以及

(4)将固化弹性体与模具分离，从而得到所述干性粘附结构。

任选地，刻划技术选自金刚石尖端刻线技术以及激光刻线技术中的至少一者。

任选地，所述干性粘附结构包括背衬层以及在背衬层上的多个倾斜V形凹槽，相邻的V形凹槽之间具有倾斜的楔形突起物。

金刚石尖端刻线技术可以包括V形尖头金刚石工具。V形尖头金刚石工具的尖端角度可以为5-40度，优选为15-30度。

优选地，所述模具包含金属材料，并且模具上的凹槽为V形、梯形以及方形中的至少一者。

优选地，凹槽在所述模具表面上的深度为10-100微米，所述凹槽的尖端角度为5-40度并且所述V形凹槽相对于垂直于模具表面的法线的倾斜角度为5-45度。

优选地，步骤(1)包括通过采用V形尖头金刚石工具沿着工具移动轨迹对着所述模具表面刻线来形成所述尖端角度和所述倾斜角度。

优选地，步骤(1)包括通过将所述V形尖头金刚石工具在每次刻线时以少量的增量压痕进行多次刻线来形成所述深度。

优选地，步骤(1)包括使用V形尖头金刚石工以5mm/min–500mm/min的单次刻线速度在模具上多次刻线创建所述表面图案。

优选地，所述可固化弹性体材料包含下列中至少一者：有机硅、聚氨酯和聚酰胺。

优选地，，所述方法在步骤(1)之后还包括：将所述模具固定在深度高于表面图案的模具箱中，以进行图案复制。

优选地，所述步骤(2)包括将所述可固化弹性材料置于预涂底漆的树脂膜上，然后将所述可固化弹性材料压到模具的所述表面图案上，以进行浇铸。

优选地，所述步骤(5)包括沿着所述V形凹槽延伸的方向将固化弹性体与模具剥离，从而得到所述干性粘附结构。

优选地，所述工具移动轨迹包括所述V形尖头金刚石工具的尖头在模具表面从一侧到相对的另一侧以直线移动。

在一个具体实施方式中，本发明提供了制备包括背衬层和多个V形凹槽的可控干式粘附结构的方法，包括以下步骤：

使用金刚石刀尖刻线技术在金属模具表面上制备具有所需尖角、倾斜角和深度的模具表面图案；

将模具固定在模具盒上以复制图案；

将模具的表面图案压在树脂薄膜上的未固化弹性体材料上；

将模具中的弹性体材料固化；和

从模具中释放固化的弹性体材料。

在本发明的另一个实施方式中，可控干式粘附结构包括背衬层和在背衬层上的多个倾斜的凹槽。同样在本发明的一个实施方式中，可控干式粘附结构包括背衬层和在背衬层上的多个间隔开的V形凹槽。

在本发明的又一个实施方式中，金刚石刀尖刻线技术包括尖点V形金刚石工具。

以下参照图1A-E进一步描述制备干性粘附结构的制造过程。

图1A-E示出了根据本发明一个实施例的用于制备干性粘附结构的制造过程。首先，如图1A所示，采用金刚石刀尖刻划技术在金属模具的表面上创建明确限定的V形凹槽图案。金属模具的材料可以选自通过切削工艺加工的常规材料，优选黄铜、模具钢、陶瓷、玻璃、亚克力等。多个V形凹槽的尖端沿着模具的宽度方向呈线性延伸，并且在模具的长度方向上优选平行间隔排列，并且相邻的V形凹槽之间具有多个倾斜的楔形突起物。采用低的刻线速度(单次刻线速度大约在5mm/min–500mm/min之间)和充分润滑，以产生光滑的表面光洁度，这避免了任何后处理。之后，将金属模具固定在略高于图案模具表面的模具盒中，以进行图案复制(图1B)。复制品的厚度可以通过改变模具盒和图案表面之间的高度差来调整。为了产生弹性体复制品，将可固化弹性体材料脱气以去除气泡，然后将可固化弹性体材料倒入(例如通过注射器注入)预先涂有底漆的树脂薄膜上以获得更好的粘合效果(图1C)。可固化弹性体材料包括有机硅、聚氨酯和聚酰胺，优选包含液态硅氧烷。金属模具适用于制造各种弹性体材料，这是以前常用的SU-8模具无法实现的。随后，将金属模具清洗，干燥，轻轻压在固化弹性体材料上(图1D)。清洗剂可以为醇溶剂，例如异丙醇。然后将得到的铸件干燥，再固化一段时间，优选30分钟到16小时(图1E)。干燥方式可以包括风干，并且可以在室温下进行固化。然后将最终的复制品沿V形凹槽方向从模具上剥离并修整以进行表征(图1F)。值得注意的是，金属模具在数十次浇注后没有出现退化，并且始终生产出高质量的可控干式粘附结构(见图4和5)，具有较长的使用寿命。

如图2所示，根据本发明的一个实施例，V形凹槽的深度24为10-100微米(um)，优选50-100um，倾斜角22为5-45°(优选为15-30°)以及尖端角23为10-40°，优选25.5-40°。在本文中，凹槽的深度24是指从模具的表面沿着垂直于表面的方向到凹槽顶端的距离。倾斜角是指凹槽偏离垂直于模具表面的方向的角度。尖端角是指由凹槽尖端的两个壁围绕的锐角，其中所述的两个壁在凹槽尖端交汇。可以通过改变金刚石工具25的尖端角和切割深度来精确地调整和容易地缩放。金属冲压模具可以采用CAD软件设计，并由高精度5轴数控机床使用尖头V型金刚石刀具加工而成。金刚石刀具的刀尖角为10-40°，优选25.5-40°，更优选为25.5°，与金属模具上成品V型槽的刀尖角相同。为了产生更好的表面光洁度并减少工具的机械磨损，优选黄铜作为模具材料。可以将金刚石刀尖沿刀具轨迹21(如图2的尖头所示)在模具表面以低速水平划线数次，以形成单个V型槽。每次划线时，压痕深度都会增加少量，直到达到50-100um的全深度。重复此过程以创建面积为1-100cm²的V形凹槽图案表面。最后，完成的金属模具用溶剂冲洗，使用超声波清洁器清洁并用氮气吹干。

图3A-C是根据本发明的一个实施方式的模具表面上的V形凹槽倾斜角分别为(A)0°、(B)15°和(C)30°的情况的显微正视图。V形凹槽尺寸保持为高度＝50-100um和尖端角＝25.5°-40°。制造了三种不同类型的具有倾斜角(0°、15°、30°)的可控干式粘附结构金属模具。模具表面V型槽的几何形状和参数精确，槽底锋利。应当理解，本发明中的制造方法可以进一步扩展以产生具有其他几何设计的可控干式粘附结构。

图4为图3B的模具制造的可控干式粘附结构在扫描电镜下的俯视图。图4的可控干式粘附结构具有镜面般的表面光洁度和锋利的尖端(见图5)，可实现高附着力和可控性。与以前的后处理方法不同，可控干式粘附结构的表面光洁度和尖端特征是在一个步骤中直接从模具中转移实现，非常有效。

图6是根据本发明的一个实施方式的图4的可控干式粘附结构通过在玻璃基板上的负载-拖-拉(LDP)测试的粘附力测量图。在整个循环过程中同时记录可控干式粘附样品和载玻片之间的纵向力和切向力。LDP测试包括三个主要步骤。首先，将可控干式粘附样品与载玻片接触，直到达到预设的预加载。之后，引入剪切位移以在夹持或释放方向上水平拖动粘合剂样品1mm。最后，将载玻片垂直拉离可控干式粘附样品，直到实现完全分离。对于每个可控干式粘附样品，该过程重复五次。粘附力测量结果与真实壁虎的粘附曲线一致，证明了摩擦粘附。最初，在预加载后，只有尖端区域接触，由变形引起的弹性应变能占主导地位，从而产生排斥力。滑动后，接触面积增加，导致从排斥力到粘附力的转变。此外，储存在V型槽内的弹性应变能在滑动过程中也会释放出来，从而提高附着力。

根据本发明的一个实施例，与0度倾斜相比，当V形凹槽倾斜15度时，最大纵向(即法向)粘附力从1.01N增加到1.09N，这几乎增加了10％(见图7)。粘附力的增加可归因于存储在变形的V形凹槽中的弹性应变能的减少。然而，当V型槽倾斜30度时，最大纵向(即法向)粘附力从1.01N下降到0.77N，下降了20％以上。这可以通过增加的V形凹槽特征尺寸和减少的总接触面积来解释。根据接触分裂理论，将单个接触分裂成更细的接触会增加整体附着力。不可避免地，较大的倾斜角会导致更少的特征和实际接触面积。这意味着在接触面积和结构刚度之间存在折衷。理论上，可以找到最佳倾斜角来产生最大的粘附力。虽然已经有一些研究对可控干粘合剂的粘附力(拉脱力)进行优化，但最大粘附力的优化是未来的一项工作，需要解决的计算密集型和复杂问题。

根据本发明的另一个实施例，测量不同预负载力下每个粘附样品的最大法向粘力，并观察粘附力对预负载力的依赖性(见图8)。发现总附着力随着预加载增加至平台期，然后开始下降。正确施加预负载力有助于粘合剂和基材之间更好地对齐，这有利于高附着力。然而，当接触面积达到最大值时，额外的预载荷只会导致更多的排斥弹性应变能，从而导致整体粘合力下降。值得注意的是，具有较大倾斜角的样品在低的预负载区域具有更好的附着力，这有利于温和的操作和攀爬机器人。对于具有大倾斜角的干式粘附样品，达到完全接触所需的预负载力较小。一旦达到完全接触，额外的预负载力会在V形凹槽中产生排斥的弹性应变能，从而降低附着力。

在本文中，各向异性比是指夹持方向上的最大法向粘附力与释放方向上的最大法向粘附力的比值。通过比较各干式粘附样品的各向异性比来研究可控干式粘附结构的可控性(见图9)。倾斜角为0度的可控干式粘附结构的各向异性比为1.234，这表明了双向行为。双向行为意味着最大法向粘附力在夹持和释放方向上几乎相同。这一观察结果与先前对无倾斜角的可控干式粘附样品的研究一致。与垂直V形槽粘合剂样品相比，具有倾斜角度的干式粘附样品显示出增加的各向异性比。对于倾斜15°和倾斜30°的干式粘附样品，各向异性比分别为1.77和1.98。由于释放方向的弹性应变能在倾角较大时明显较高，因此较大的倾角将导致各向异性比增加。对于所有三种类型的可控干式粘附结构，法向(纵向)粘附力随着剪切力的增加而增加，这与摩擦粘附模型一致。还观察到，对于具有较大倾斜角的粘合剂样品，达到最大法向粘合力所需的剪切力较小。估计的粘着剪切曲线通过原点，表明可控干式粘附结构可以通过去除剪切力很容易地分离。

在另一个方面中，本发明还提供了一种干性粘附结构，包括：衬底层以及在所述衬底层上的表面图案，该表面图案包括行列排布的多个凹槽以及在凹槽之间的多个尖锐突起物。优选地，如图1F所示，凹槽为在衬底层上彼此平行的间隔V型凹槽，并且尖锐凸起物在间隔的V型凹槽之间。任选地，所述多个V形凹槽在所述表面图案中彼此平行排列，并且多个楔形突起物在表面图案中彼此平行排列。

同具有表面图案的金属模具一样，干性粘附结构的V型凹槽也可以由V形凹槽在衬底层上的深度、凹槽的尖端角度以及V形凹槽的倾斜角度表征。尖锐凸起物也可以由深度、尖端角度和倾斜角度表征。本领域的技术人员将会理解，由于干性粘附结构是模具上的表面图案的复制结构，因此V形凹槽在衬底层上的深度、凹槽的尖端角度以及V形凹槽的倾斜角度的范围与模具上的表面图案的尖锐凸起物的深度、尖端角度和倾斜角度是相同的。

换言之，干性粘附结构的V形凹槽的深度为50-100um，尖端角度为？0-40°，优选(25.5-40°，并且倾斜角度为0-45°，优选5-30°。

优选的，上述的干性粘附结构可以由上述的任意一种方法制备。由于干性粘附结构是由上述的方法制备的，因此多个楔形突起物具有镜面表面光洁度，而无需进行任何后续处理。

在另一个方面中，本发明还提供了一种仿生制品，包括上述任意一项所述的方法制备的干性粘附结构或者上述任意一项所述的干性粘附结构。

在一个实施方式中，仿生制品选自爬墙机器人、放生吸盘、清洁运输器和微重力机械手中的至少一者。

对仿生制品的具体结构不做详细限定，例如，仿生制品包括主体以及以表面图案朝外的方式附接到主体上的干性粘附结构。

总之，本发明提供了可控干式粘附结构和可控干式粘附结构的制造方法。新的制造方法结合了金刚石尖端划线技术，以创建可重复使用的模具，以低单价制造高质量的可控干式粘附结构。

在以下实施例中详细描述了本发明，这些实施例可以代表本发明不同形式的各种实施例。

实施例

原材料

液态硅橡胶(Smooth-On公司，美国)

底漆(道康宁公司的PR-1200)

CAD软件(Solidworks 2020)

5-axis CNC机床(NanoTech705G)

锐点V型金刚石工具(CONTOUR Fine Tooling公司)

-制备金属模具的表面图案

采用CAD软件(Solidworks 2020)设计金属冲压模具，并由高精度5轴数控机床使用尖头V型金刚石刀具加工而成。金刚石刀具的刀尖角为25.5°，与金属模具上成品V型槽的尖角相同。选择黄铜作为模具材料。将金刚石刀尖沿刀具轨迹在模具表面以低速水平10mm/min划线数次，形成单个V型槽。每次划线时，压痕深度都会增加少量，直到达到100um的全深度。重复此过程以创建0.9×1cm²的V形凹槽图案表面。最后，完成的金属模具用异丙醇IPA冲洗，使用超声波清洁器清洁并用氮气吹干。

-制备粘附结构样品

上述制备的具有表面图案的黄铜模具固定在略高于图案模具表面的模具盒中，以进行图案复制。复制品的厚度可以通过改变模具盒和图案表面之间的高度差来调整。为了产生弹性体复制品，将液体硅橡胶(SortaClear 40)真空脱气以去除气泡，然后倒入预先涂有底漆(道康宁公司的PR-1200)的聚酯(PET)薄膜上以获得更好的粘合效果。随后，金属模具用异丙醇清洗，用氮气吹干，轻轻压在液态硅橡胶上。然后将铸件在室温下干燥1小时，再加热固化3小时。然后将最终的复制品沿V形凹槽方向从模具上剥离并修整以进行表征。

-测试例

将上述制备的可控干式粘附结构样品置于扫描电镜下观察，并且获得图像，如图4所示。图4的可控干式粘附结构具有镜面般的表面光洁度和锋利的尖端(见图5)，可实现高附着力和可控性。

通过LDP测试测量上述制备的可控干式粘附结构样品的粘附力。结果如图6所示。在整个循环过程中同时记录可控干式粘附样品和载玻片之间的法向(即纵向)力和剪切力(即切向力)。LDP测试包括三个主要步骤。首先，将可控干式粘附样品与载玻片接触，直到达到预设的预加载。之后，引入剪切位移以在夹持或释放方向上水平拖动粘合剂样品1mm。最后，将载玻片垂直拉离可控干式粘附样品，直到实现完全分离。对于每个可控干式粘附样品，该过程重复五次。粘附力测量结果与真实壁虎的粘附曲线一致，证明了摩擦粘附。最初，在预加载后，只有尖端区域接触，由变形引起的弹性应变能占主导地位，从而产生排斥力。滑动后，接触面积增加，导致从排斥力到粘附力的转变。此外，储存在V型槽内的弹性应变能在滑动过程中也会释放出来，从而提高附着力。

还测试了不同可控干式粘附结构样品(V形凹槽的倾斜角分别为0°、15°和30°倾角)在夹持和释放方向上加载时的平均法向粘附力(即纵向力)。结果如图7所示。与0度倾斜相比，当V形凹槽倾斜15度时，最大法向(纵向)粘附力从1.01N增加到1.09N，这几乎增加了10％。粘附力的增加可归因于存储在变形的V形凹槽中的弹性应变能的减少。然而，当V型槽倾斜30度时，最大法向粘附力从1.01N下降到0.77N，下降了20％以上。这可以通过增加的V形凹槽特征尺寸和减少的总接触面积来解释。根据接触分裂理论，将单个接触分裂成更细的接触会增加整体附着力。不可避免地，较大的倾斜角会导致更少的特征和实际接触面积。这意味着在接触面积和结构刚度之间存在折衷。

还测量了不同预负载力下，上述制备的粘附样品的最大法向(纵向)粘合力，并观察粘附力对预负载力的依赖性(见图8)。如图8所示，发现总附着力随着预加载增加至平台期，然后开始下降。然而，当接触面积达到最大值时，额外的预载荷只会导致更多的排斥弹性应变能，从而导致整体粘合力下降。

还测试了不同可控干式粘附结构样品(V形凹槽的倾斜角分别为0°、15°和30°倾角)的各向异性比。结果如图9所示。倾斜角为0度的可控干式粘附结构的各向异性比为1.234，这表明了双向行为。与垂直V形槽粘合剂样品相比，具有倾斜角度的干式粘附样品显示出增加的各向异性比。对于倾斜15°和倾斜30°的干式粘附样品，各向异性比分别为1.77和1.98。由于释放方向的弹性应变能在倾角较大时明显较高，因此较大的倾角将导致各向异性比增加。对于所有三种类型的可控干式粘附结构，法向粘附力随着剪切力的增加而增加，这与摩擦粘附模型一致。还观察到，对于具有较大倾斜角的粘合剂样品，达到最大法向粘合力所需的剪切力较小。估计的粘着剪切曲线通过原点，表明可控干式粘附结构可以通过去除剪切力很容易地分离。

应当理解，本发明不限于上述具体实施方案，而是涵盖在以下权利要求的通用语言范围内的任何和所有实施方案。通过本文中所描述的实施方案，或者以其他方式在附图中显示或在上文中所描述的术语，足以使本领域的普通技术人员能够制造和使用所要求保护的主题。

Claims (21)

1.一种制备干性粘附结构的方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)使用刻划技术在模具上创建表面图案，该表面图案包括行列排布的凹槽和凹槽之间的尖锐突起物；

(2)将模具上的具有表面图案的一侧与可固化弹性体材料紧密接触；

(3)将所述可固化弹性体材料固化，得到复制了所述表面图案的固化弹性体；以及

(4)将固化弹性体与模具分离，从而得到所述干性粘附结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻划技术选自金刚石尖端刻线技术以及激光刻线技术中的至少一者。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述干性粘附结构包括背衬层以及在背衬层上的多个倾斜V形凹槽，相邻的V形凹槽之间具有倾斜的楔形突起物，

任选地，所述表面图案为连续的楔形图案阵列。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述金刚石尖端刻线技术包括V形尖头金刚石工具。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述模具包含金属材料，

任选地所述凹槽为V形、梯形以及方形中的至少一者。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述凹槽在所述模具表面上的深度为10-100微米，所述凹槽的尖端角度为10-40度并且所述V形凹槽相对于垂直于模具表面的法线的倾斜角度为5-45度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(1)包括通过采用V形尖头金刚石工具沿着工具移动轨迹对着所述模具表面刻线来形成所述尖端角度和所述倾斜角度。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(1)包括通过将所述V形尖头金刚石工具在每次刻线时以少量的增量压痕进行多次刻线来形成所述深度。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)包括使用V形尖头金刚石工具以5mm/min–500mm/min的单次刻线速度在模具上多次刻线创建所述表面图案。

10.根据权利要求1到9中任意一项所述的方法，其特征在于，所述可固化弹性体材料包含下列中至少一者：有机硅、聚氨酯和聚酰胺。

11.根据权利要求1到9中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法在步骤(1)之后还包括：将所述模具固定在深度高于表面图案的模具箱中，以进行图案复制。

12.根据权利要求1到11中任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括将所述可固化弹性材料置于预涂底漆的树脂膜上，然后将所述可固化弹性材料压到模具的所述表面图案上，以进行浇铸。

13.根据权利要求1到11中任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)包括沿着所述凹槽延伸的方向将固化弹性体与模具剥离，从而得到所述干性粘附结构。

14.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述工具移动轨迹包括所述V形尖头金刚石工具的尖头在模具表面从一侧到相对的另一侧以直线移动。

15.一种干性粘附结构，包括：

衬底层；

在所述衬底层上的表面图案，该表面图案包括行列排布的多个倾斜凹槽和倾斜凹槽之间的多个突起物。

16.根据权利要求15所述的干性粘附结构，其特征在于所述倾斜凹槽在所述衬底层表面上的深度为10-100微米，所述突起物的尖端角度为5-30度并且所述凹槽相对于垂直衬底表面的法线的倾斜角度为5-45度。

17.根据权利要求15或16所述的干性粘附结构，其特征在于所述凹槽为V型凹槽，并且所述突起物为楔形突起物，其中多个V形凹槽的尖端沿着衬底宽度的线在所述表面图案中彼此平行排列，并且多个楔形突起物的尖端沿着衬底宽度的线在表面图案中彼此平行排列。

18.根据权利要求15或16所述的干性粘附结构，其特征在所述多个楔形突起物具有暴露的表面并且该暴露的表面具有镜面状的表面光洁度。

19.一种仿生制品，包括权利要求1到14中任意一项所述的方法制备的干性粘附结构或者权利要求15-18中任意一项所述的干性粘附结构。

20.根据权利要求19所述的仿生制品，其特征在于所述仿生制品选自爬墙机器人、放生吸盘、清洁运输器和微重力机械手中的至少一者。

21.根据权利要求19或20所述的仿生制品，其特征在于所述仿生制品包括主体以及以表面图案朝外的方式附接到主体上的干性粘附结构。

Images