TWI811259B - 具有微結構介導的吸收輪廓之裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明關於抓握表面和包括其相同之裝置，其中，抓握表面包括形狀可調表面微結構，其中，微結構的高度、寬度和空間週期性對應目標表面的莎拉馬赫波的振幅和波長的整數倍，其中透過向裝置施加應變來夾帶裝置微結構和誘導的莎拉馬赫波。

Description

具有微結構介導的吸收輪廓之裝置
在本文中描述微結構化表面和包括相同微結構化表面的裝置。本發明的表面和裝置可用於任何旨在防止或最小化固-固(solid-solid)介面處的滑動的防滑應用，例如微結構化裝置和可變形表面之間。本發明在階層式結構表面上採用動態莎拉馬赫(Schallamach)波、滑動脈衝和分離脈衝釘扎(pinning)以獲得抓握的表面。
雖然本節主要用於既定的觀察和理論，儘管基礎理論是已知的，但本節中包含的一些材料在解釋或感知應用方面是新的。因此，申請人並不旨在本節中揭露的想法必然構成習知技術，並且在習知技術的變體狀態之間建立的一些連接可以構成發明。
在自然界中發現各種各樣的表面圖案。它們的功能是排斥和吸引其他表面。從微影蝕刻到碳奈米管合成的複合且昂貴的製程技術已被用於產生合成類似物至天然存在的表面。
關於自然表面的功能，常常被忽視的方面是當一個表面在介面處與另一個交互作用發生的動態變化。在自然界的許多情況下，存在第一幾何介面主要是為了誘導第二幾何形狀，其在性能超過第一幾何形狀主要是因為第二幾何形狀的表現可以呈現多種形式。
人們通常可以將誘導的表面幾何形狀稱為“皺褶”表面，這些表面是自發性的(spontaneous)或自我形成的(self-forming)。皺褶是透過表面上的壓縮應變及透過材料特性、靜態表面幾何形狀和介面條件改變應變條件引起的。大自然已經能夠在大的表面區域上顯示出對皺褶波長(wrinkle wavelength)、振幅和定向的很好控制。
很難直接理解可變形的大多數固體表面上的黏合機制，因為表面之間的抓握與複雜的階層式結構的時間相依變化相關。這些結構中的一些預先配置在表面上，其他結構透過交互作用的能量在表面上被誘導。
典型的摩擦概念是對抗裝置相對於表面平移的力，該摩擦力是正向力和接觸區域的線性函數。作為概念，典型摩擦不足以描述在與本發明的微結構化相介面裝置交互作用的目標表面上的作用機制。
在沒有更多技術用語的情況下，抓握是將裝置相對於表面平移所需的能量，這不能透過典型的摩擦概念來完全解釋。實際上，對抓握力的最大貢獻不是摩擦，而是表面能(surface energy)之間的交互作用，這反過來可能導致裝置和表面之間的抓握介面的變形，其相對於正常負荷和接觸的面積是高度非線性。
抓握的微妙之處令反直覺性與摩擦的典型概念差異化。例如，對於本發明的裝置，當接觸面積減小時，平移力可以增加。特別地，當裝置和目標表面之間的接觸面積與裝置的表面積大致成反比時，通常增強抓握意味著平移力增加。
此外，當裝置介面上存在微結構時，作為平移力的抓握顯著地偏離摩擦。在本申請中，裝置上的微結構被設計成與目標環境表面上的微結構交互作用及/或被設計成在目標環境表面上誘導微結構。
這裡的微結構是指任何表面幾何特徵，其特徵在於與裝置相比較小的結構。因此，這裡用語“微結構”一般用於表示通常尺寸為10毫米(mm)至1奈米(nm)的任何結構。當需要精確度時，1-10mm結構稱為介觀(mesoscopic)，1000-1微米範圍內的結構稱為微米級(microscopic)，1000-1nm範圍內的結構稱為奈米級(nanoscopic)。
這裡揭露許多未預期的現象，部分地依賴於稱為莎拉馬赫波的現象。莎拉馬赫波，透過傳統理解，用於描述一個有時在可變形表面對平滑剛性表面的摩擦滑動過程中出現勢能分離的波。然而，當莎拉馬赫波與裝置的微結構表面接合時，不是分離莎拉馬赫波而是使裝置抓握目標表面。該莎拉馬赫波不產生分離，他們產生夾帶(entrainment)。夾帶是波結構與另一個空間週期結構接合或互鎖的現象。莎拉馬赫波可以透過裝置或目標表面上的微結構引發(initiate)，且波本身可以在裝置和目標表面中的任一個或兩者上形成。
莎拉馬赫波可以與犁機制(plowing mechanism)相關聯。設計用於誘導莎拉馬赫犁(Schallamach plowing)的裝置，由沿相反方向定向的表面微結構組成。目標表面中的莎拉馬赫波自然地與裝置上的微結構定向平行對齊。產生的雙重定向莎拉馬赫波沿著中心線會聚(converge)，其中莎拉馬赫波的振幅疊加。產生疊加的莎拉馬赫波具有振幅大於不是疊加的莎拉馬赫波的部分的振幅。莎拉馬赫犁可能導致兩種結果，即裝置-表面分離或抑制滑動脈衝的形成。在前者被禁止並且後者被實現的情況下，透過阻止平移模式，抓握顯著增加。
與莎拉馬赫波相關聯的是庫侖鎖定(Coulomb locking)，其中誘導的微結構與現有或誘導結構互鎖，其中一個結構的周期性是另一結構的周期性的整數倍。當其中一個結構的楊氏模量大於其它結構的楊氏模量時，庫侖鎖定最有效。
與莎拉馬赫波相關聯的一個發現是本徵(eigen)庫侖鎖定，其中目標表面的自然共振頻率或本徵皺褶頻率與裝置上微結構的空間週期性相匹配。當採用本徵庫侖鎖定時，誘導穩健的鎖定所需的剪切應力比以遠離目標表面的自然本徵皺褶模式的頻率將目標表面強制進入莎拉馬赫波所需的剪切應力小2到10倍。
利用上述變形現象的基本機構(mechanism)特徵通常可以為由抓握力引起的表面的動態循環振盪(kinetic cyclic oscillation)。通常存在兩個週期性表面，一個與裝置相關聯，其可以預先配置或誘導，另一個與目標表面相關聯，可以預先配置或誘導。透過注意相對於目標表面上結構的裝置上結構之間的位置關係，可以最佳地理解這些機制。
當裝置上的尖峰的中心位於目標表面上的兩個尖峰之間時，抓握力最大。兩個尖峰通常經歷相對變形。在裝置瞬時犁過目標尖峰期間，當與目標尖峰的前部接觸的裝置上的尖峰的變形增加時，抓握力增加。因此，在互鎖時期，庫侖互鎖和褶皺表面的犁兩者皆增加的效果都會增加抓握力。當與目標尖峰的前部接觸的裝置尖峰的變形被認為是最大且與裝置尖峰的後部接觸的目標尖峰的變形消失時，抓握力是最大的。
另一個重要的特徵是拉金長度(Larkin length)。拉金長度定義為，超過位移場的波動變得大於釘扎中心的典型尺寸的特徵長度。如果將與表面接觸的裝置建模為位移場，則目標表面或裝置中的不均勻性可以在小區域中相對的運動中產生波動(fluctuation)。當這些波動超過一定大小，即拉金長度，然後釘扎中心被中斷。
最終，在裝置或目標表面上的圖形誘導依賴於在抓握的情況下材料特性的差異。例如，如果裝置和目標表面由相同的材料構成並且關於任何尺寸或材料特性是相同的，那麼處於接觸狀態的裝置和表面變得難以區分。如果在一個中的幾何形狀有任何變化，它也會出現在另一個中。此外，如果幾何形狀有任何變化，幾何形狀的變化是由於所施加力的局部性。因此，裝置和表面之間的誘導幾何變化取決於裝置和目標表面之間的一些差異。
例如，已知透過選擇材料特性、表面幾何形狀和製程參數可以獨立地控制皺褶波長和振幅。褶皺表面的波長由剛性裝置和軟基板(Ef/Es)之間的有效彈性模量不匹配和裝置厚度(t)決定：
將皺褶稱為一種類型可能具有誤導性或過於簡單化。申請人已經確定三種皺褶類型：1)莎拉馬赫波(Schallamach wave)，2)滑動脈衝(slip pulse)和3)分離脈衝(separation pulse)。莎拉馬赫波基本上是在裝置和目標表面之間建立的共振現象。本質上，勢能(potential energy)找到彈性變形的模式，其中勢能可以以穩定的方式儲存。通常，莎拉馬赫波歸因於在動態環境下建立的穩定狀態，其中儲存的勢能透過滑動成為動態來釋放。
然而，這種現象是兩種波的疊加的結果，第一波是莎拉馬赫波本身，第二波是滑動脈衝。滑動脈衝具有不包含在諧振頻譜中的振幅和頻率。滑動脈衝是對應於屈曲(buckling)的彈性狀態，其暫時破壞勢能和諧振形式之間的穩態。
在某些情況下，滑動脈衝消散，並且重新建立黏合。在其他情況下，滑動脈衝以能量增長，最終達到介面基本上被破壞的振幅。在這種情況下，滑動脈衝啟動分離脈衝。在滑動脈衝消散的情況下，分離脈衝形成並定位在介面的前緣上。在滑動脈衝未消散的情況下，分離脈衝的能量透過交互作用區域以傳輸。
在介面運動時，可以同時存在所有三種波。換句話說，在介面中形成壓縮波，在前緣上形成分離波形，且來自分離波的能量透過滑動波的傳播洩漏到介面中。因此，根據上述三個識別的波正確理解的特徵黏滑(stick-slip)現象與不同的表面波相關聯，每個具有完全不同的波長和振幅。
莎拉馬赫波由在與相對於目標表面的介面運動相同的方向傳播的壓縮局部區域所組成。分離脈衝雖然也像莎拉馬赫波那樣是壓縮局部區域，但具有根本不同的特性。首先，分離脈衝在莎拉馬赫波的相反的方向上以低得多的速度傳播。分離脈衝高度依賴於正向力。因此，對於低正向力應用，可能希望允許滑動脈衝形成，從而抑制分離脈衝的傳播。另一個重要的觀察是莎拉馬赫波幾乎總是與表面皺褶相關，而傳播的分離脈衝通常沒有表面皺褶等表面特徵。
在建模動態介面現象時，通常假設位移力是恆定的。通常情況並非如此。例如，滑動脈衝的傳播透過介面調變所施加的力。因此，在調變施加的力與介面中的各種空間和時間週期之間可能存在共振。在設計高抓握裝置時也應該考慮到這一點。
滑動脈衝和分離脈衝之間的主要區別在於，分離脈衝導致介面的完全破壞，而滑動脈衝不會破壞介面，即使在兩種情況下都發生平移。此外，在這兩種情況下都保持長時間平均的介面。
總之，在動態情況下，存在相對於目標表面的裝置的平移，其是由於分離脈衝、滑動脈衝和莎拉馬赫波引起的平移的總和。現在，在保持介面的範圍內，存在三種特徵速度，分離脈衝的波速、滑動脈衝的波速和莎拉馬赫波的波速。與這些波速相關聯的是空間和時間兩者分量的振盪頻率。最後，實驗表明，介面運動僅僅是由於介面處的波傳播引起的。正是這種洞察力推動此處披露的創新。
另一個重要的觀察是滑動脈衝由可變形表面上的屈曲不穩定性成核，無論屈曲是在裝置還是在目標表面。另一方面，分離脈衝透過拉伸(tensile)剝離過程成核(nucleate)。重要的是要理解這兩個平移過程的獨立性。
例如，分離脈衝和莎拉馬赫波在介面區域中交互作用。當兩種類型的波沿相反方向傳播時，它們相互碰撞，導致單個停滯相不連續。相不連續性可以是固相之間的液體冷凝物滴或在液體介面中形成的氣泡。即使介面在接觸區域中是靜止的，也可能發生相位不連續的形成。在形成相位不連續之後，莎拉馬赫波在不連續處成核並在接觸區域內傳播。成核的莎拉馬赫波通常是介面破壞的原因。因此，促進穩定的莎拉馬赫波與隨機成核的莎拉馬赫波的表面圖案通常具有增強的抓握。
以上討論描述在裝置和目標表面之間的介面處具有一些黏合性的現象學(phenomenology)。黏合機制可以是機械的、電荷誘導的，或形成抵抗重塑的複合介面體積。複合介面的動態可能是三者中最不明確的介面。
形成複合介面的地方至少有兩個相，例如固液介面。透過考慮具有不同表面能或表面張力的兩個液相，當涉及介面動態時，可以概括相的概念。兩個不混溶(immiscible)的相可以被認為是兩個不同的相。當兩種液體在平衡條件下被迫分離時，可以增強抓握，從而產生與破壞平衡狀態相關的能量不足。當平衡狀態抑制由平衡中的準相位(quasi-phase)分離液體組成的介面處的平移運動時，抓握增強。當這些相分離狀態被捕獲在表面微結構上時，抓握顯著增加。
黏合與表面能的概念有關。在液體介面的情況下，表面能與潤濕現象(wetting phenomena)有關。與固體或液體的大部分相比，固體或液體表面的原子或分子與相鄰原子的鍵較少。當產生表面或介面時，能量被用於破壞鍵。結果，表面上的原子具有更高的能量。如果將液滴放置在固體表面上，則液體和固體表面在稱為靜態接觸角(static contact angle)的特徵角在平衡下聚集在一起。接觸角與固體-疏水(hydrophobic) , 、固體親水性和親水-疏水介面的表面能有關。
潤濕是液相和固相之間的關係，潤濕對於流體釘扎是必不可少的。潤濕的特徵在於液體和固體表面之間介面處的接觸角。接觸角代表液體和固體之間的分子間交互作用，其中交互作用的能量最小化。接觸角還可以與黏合力和內聚(cohesive)力之間的力平衡相關聯。潤濕對於兩種材料的鍵合或黏合很重要。
另外，無論角度是在運動中的介面的前緣還是後緣上測量，接觸角通常都會改變。前接觸角和後接觸角之間的差異是接觸角遲滯(hysteresis)。大的接觸角遲滯與大的黏合力相關。
當表面被微結構化時，液滴可能具有大的接觸角，在這種情況下，液體位於微結構的頂部。相反，具有小接觸角的液滴流入微結構中。這些狀態分別被稱為凱西(Cassie)和文澤爾(Wenzel)狀態。當文澤爾和凱西狀態並排存在於微結構表面上時，會發生流體釘扎。文澤爾-凱西狀態是表面之間黏合的另一種形式。
有兩種類型的潤濕：非反應性(靜態)潤濕和活性(動態)潤濕。液體和固體之間的黏合力導致液滴在固體表面上擴展(spread)(文澤爾潤濕)。液體內的黏合力導致液滴糊鑽(ball up)並避免與表面接觸(凱西-貝克斯特(Baxter)潤濕)。黏合力和內聚力的並置(juxtaposition)導致流體釘扎，這基本上是流體擴展黏合在表面上的趨勢和流體抵抗在表面上附著和擴展的趨勢之間的平衡。
我們非預期地發現，本裝置的表面相對於環境表面的平移力是所施加的正向力和接觸面積的非線性函數。另外，非預期地發現當裝置和環境表面之間的接觸面積與裝置的表面積大致成反比時，通常增強抓握，意味著平移力增加。
在本發明中有效的抓握機構包括配置在裝置上的硬微結構與柔軟的近似平坦的環境表面之間的抓握。在其他情況下，在本發明中有效的抓握機構包括在裝置上的軟微結構和硬的近似平坦的環境表面之間的抓握。在其他情況下，本發明中的抓握機構包括交互作用以抑制平移的平移力誘導微結構。
關於在柔軟結構表面上抓握的非預期結果的說明，申請人已經發現，裝置上與平移方向垂直對齊的平行凹槽減小摩擦力，但由於非預期產生大的動態抓力的平移力而引起環境表面的振盪，動態抓力與表面接觸面積和正向力無關，而且在平移下導致莎拉馬赫波的形成。
發現莎拉馬赫波中的勢能和動能與平移中消耗的能量大致成正比。因此，抓握機構幾乎完全是動態的，與摩擦力相反，摩擦力對平移抑制的最大貢獻是靜摩擦係數。通常，每單位時間每單位平移長度所消耗的能量對於摩擦而言減小，並且對於本發明的一些設計中實現的一些抓握機構而言增加。
因此，本申請的一個目的是揭露具有形狀可調微結構的裝置，透過向裝置施加應變可以可逆地控制本裝置的微結構的深度和方向。
本申請的另一個目的是揭露具有形狀可調微結構的裝置，本裝置的這些微結構的毛細作用(capillary action)可以在微米級或奈米級尺度的環境介面處形成液體，透過微結構形狀的變化控制毛細管現象，以控制液體-裝置對準。
本申請的另一個目的是揭露具有可調皺褶的觸控螢幕裝置，其具有能夠在期望結果之間進行區分的形狀依賴性抓握力。
本申請的另一個目的是揭露由現有裝置建立的耐磨滑動介面，其中在裝置上的形狀可調微結構上引起動態振盪，其中裝置微結構與環境表面上的微結構之間的位置關係關於微結構的形狀(縱橫比(aspect ratio))被設計成使動態振盪最大化。
本申請的另一個目的是揭露一種應變可調裝置，其中，當應變超過1%時，應變可調裝置扣入波長λ的皺褶，其中皺褶的振幅A表現對波長呈反向二次方關係，其增加A在10至1000微米的範圍，更通常A的範圍為25微米至約100微米。
本申請的另一個目的是揭露一種應變可調裝置，其中縱橫比A/λ相對於應變範圍內的應變為約0.01至0.20的反向二次方。
本申請的另一個目的是揭露一種應變可調裝置，其中抓握與裝置的楊氏模量和目標表面的楊氏模量之差成正比。
本申請的另一個目的是揭露一種應變可調裝置，其中誘導的莎拉馬赫波的振幅與裝置的楊氏模量和目標表面的楊氏模量之差成正比。
本申請的另一個目的是揭露一種應變可調裝置，其中該裝置包括兩層或更多層，其中第一接觸層相對於裝置的遠側層的楊氏模量具有不同的楊氏模量。
本申請的另一個目的是揭露一種應變可調裝置，其中該裝置包括階層式微結構，其中每個階層式層由不同楊氏模量的基板材料組成。
本申請的另一個目的是揭露一種應變可調裝置，其中該裝置包括階層式微結構，其中選擇裝置的基板主體的厚度以產生目標表面的最大抓握。
本申請的另一個目的是揭露一種裝置，其中該裝置包括沿相反方向定向的表面微結構，使得在目標表面中誘導的莎拉馬赫波平行於微結構定向排列，使得雙重定向的莎拉馬赫波沿著莎拉馬赫波的振幅疊加的中心線，產生的莎拉馬赫波的振幅大於不是疊加的莎拉馬赫波的部分的振幅。
本申請的另一個目的是揭露一種包括表面微結構的裝置，表面微結構在裝置和目標表面之間形成黏合連接，其中剪力的特徵在於在鄰近接觸區域的區域處的能量耗散。
本申請的另一個目的是揭露一種包括表面微結構的裝置，表面微結構在裝置和目標表面之間形成庫侖鎖定，其中剪力的特徵在於在接觸區域內的區域處裝置和目標表面之間的表面能量減少。
本申請的另一個目的是揭露包括表面微結構的裝置，表面微結構在裝置和目標表面之間形成莎拉馬赫犁、黏合連接和庫侖鎖定。
本申請的另一個目的是揭露一種包括表面微結構的裝置，表面微結構在裝置和目標表面之間形成庫侖鎖定，其中庫侖鎖定在裝置上的微結構的空間週期性和目標表面中的特徵褶皺之間。
本申請的另一個目的是揭露一種包括表面微結構的裝置，該表面微結構在裝置表面和目標表面之間的介面處分配外部剪切應力，使得剪切應力在裝置和目標表面之間的接觸區域上最大程度地均勻。
本申請的另一個目的是揭露一種包括表面微結構和楊氏模量的裝置，其在裝置表面和目標表面之間的介面處分配外部剪切應力，使得裝置和目標表面之間的每個接觸點處的剪切應力向量，在該點最小地偏離目標向量。
本申請的另一個目的是揭露一種包含表面微結構和內部結構的裝置，使得在與目標表面接觸的裝置的圖案透過增加裝置圖案和目標表面週期性之間的彈性耦合，抑制順序的介面滑動。
本申請的另一個目的是揭露一種包括可分成兩種類型的表面微結構的裝置。第一類型微結構是低模量並且被設計用於小的法向(normal)負荷，其中弱釘扎被預期，其中由於力的空間波動而產生的抓握被確定，其中抓握區域小於彈性變形佔優勢的拉金長度。第二類型微結構是高模量並且被設計用於高負載，其中長度模式大於拉金長度，其中無序勢能占主導地位，並且圖案介面的不同部分不變形，並且固定釘扎中心。
本申請的另一個目的是揭露一種包括表面微結構的裝置，其與目標表面交互作用以誘導增強抓握的表面變形，該裝置包括已知的彈性模量和在黏合力、裝置材料特性和誘導的皺褶幾何形狀之間實現最佳比例關係的介面特性。
本申請的另一個目的是揭露一種裝置，其能夠強烈地抓握目標表面，然後反覆地可逆地分離。
本申請的另一個目的是揭露一種裝置，其具有與1)莎拉馬赫波，2)滑動脈衝和3)分離脈衝單獨或組合地連接的特徵。
本申請的另一個目的是揭露一種裝置，其具有控制莎拉馬赫波、滑動脈衝和分離脈衝透過裝置和目標表面之間的介面區域的傳播的特徵。
透過結合附圖閱讀以下說明書，本發明的這些和其他目的、特徵和優點將變得更加明顯。
為促進原理和本發明的各種實施例的特徵的理解，各種說明性實施例解釋如下。儘管詳細解釋本發明的示例性實施例，但是應該理解，可以預期其他實施例。因此，並不意圖將本發明的範圍限制在以下描述中闡述的或附圖中示出的組件的構造和設置的細節。本發明能夠具有其他實施例並且能夠以各種方式實踐或實施。而且，在描述示例性實施例時，為清楚起見，將採用特定用語。
不管是什麼介面，表面結構在一個表面的遷移率相對於其它表面的遷移率扮演重要的角色。微結構化表面和可變形表面之間的交互作用的尺度由微結構化裝置的表面結構限定。微結構通常是階層式的，且特徵是至少三個空間尺度。
應當理解的是，在本發明中，階層式意味著不同空間尺度的微結構。這些結構可以並排或彼此堆疊。在二維表面上定義階層式微結構，其特徵在於維度x和y，以及平面外維度z。每個微結構尺度可以由駐留(reside)在由函數f(x，y)描述的二維表面上的特徵維度x'，y'和z'來定義。函數f(x，y)不一定是平面的。階層式微結構是一組縮放的微結構，每個微結構的特徵在於(x’, y’, z’)、 (x”, y”, z”)等等；其中，第一微結構駐留於由(x，y，z1)限定的區域中，第二微結構位於由(x，y，z2)限定的區域中，等等。範圍z1跨越的範圍由zmin ＜ z1 ＜ zmax等等的z值定義。
堆疊的階層式微結構是三維微結構，其中關於任意一組歐幾里德(Euclidean)坐標(x，y，z)，大多數第一微結構駐留於區域z1中，而大部分的第二微結構駐留於區域z2等等，使得z1＞z2＞…。例如，階層式微結構可包括高度10和直徑2的一組圓柱體，其設置在圓柱體的頂表面上，圓柱體的頂表面設置在高度100和直徑20的平面中。
如果特徵維度的比值由一個常數因子縮放，一個階層式微結構是自相似的(self-similar)。自相似性可以出現在所有比例維度或比例維度的任何子集中。在圓柱體的示例中，如果間距滿足常數比率p1/p2=p2/p3=…=c，在各種空間尺度p1、p2、p3、...的圓柱體之間的間距是自相似，其中c是常數。間距定義為兩個相似結構的中心之間的距離。在大多數情況下，對於給定類型的結構，間距是恆定的。縱橫比是一個相關的度量，它被定義為結構的高度與寬度的比率。
參考圖1，示出莎拉馬赫夾帶機構100。所描繪的是以橫截面視圖示出的第一規則間隔的平行脊形圖案裝置102，並且以橫截面視圖示出被最佳化以夾帶莎拉馬赫波104的平行脊形圖案裝置。裝置102和104相對於可變形表面108移位到右側106。莎拉馬赫波形成110。相對於裝置102，莎拉馬赫波110減小裝置102和可變形表面108之間的表面區域接觸。在裝置102的情況下，當莎拉馬赫波形成時，維持平移106所需的剪切應力顯著減小。相反，在裝置104的情況下，相同的莎拉馬赫波110被夾帶112在微結構114之間的間隔中。莎拉馬赫波週期110相對獨立於接觸裝置上的微結構的周期性。莎拉馬赫波長110是可變形表面108的固有特性。在裝置104的情況下，當夾帶如所描繪的情況發生時，平移所需的剪力顯著增加。因此，裝置104與可變形表面108固定在一起。
圖1示出本裝置104的表面相對於環境表面108之間的平移力是所施加的正向力和接觸區域的非線性函數。圖1說明對於本發明的表面結構化裝置夾帶莎拉馬赫波的主張與傳統的摩擦模型相反，其中平移所需的剪力隨著運動而增加。在典型情況下，靜摩擦係數高於動摩擦係數。
參照圖2，本申請的裝置示出形狀可調微結構200，裝置202的微結構的深度和方向可透過向裝置施加應變而可逆地控制。應該理解的是圖2僅是本發明的一個特徵的特別簡化的圖示。具有柔性微結構204的裝置202平行於可變形表面206平移。最初可變形表面206是平坦的。裝置202和可變形表面206之間的力誘導莎拉馬赫波208。微結構204之間的間隔未被調諧(tune)到莎拉馬赫波208的空間週期性。然而，由於微結構204的可變形性質，如圖所示，莎拉馬赫波208使微結構204變形，其中達到夾帶。
參照圖3，本申請的裝置示出採用毛細管作用的形狀可調微結構300。預期目標可變形表面的莎拉馬赫頻率並不總是實際的。折衷策略是根據理想化的目標表面來圖案化裝置。然而，如果毛細管作用有助於將目標可變形表面的固有頻率擬合到工程結構化表面，則可以顯著增強植入物的固定。例如，裝置302具有間隔的大微結構304以預期目標可變形表面。然而，可變形表面306具有稍微不同於預期工程頻率310的莎拉馬赫空間頻率308。當可變形表面306使微結構304變形時，第二毛細管微結構312將可變形表面306拉入可用間隙310。透過去除區域314中的水，毛細管作用在可變形表面306和裝置302之間產生部分真空。
參照圖4，本申請的裝置示出形狀可調微結構植入物，其中變形包括微結構的偏轉和對芯材料的應變。本發明的可應變裝置400包括芯構件402和微結構404，其中，當施加一個典型的剪力，芯構件402的輪廓406在1和20%之間的應變。芯部件402在應變下彎曲成具有寬度410和振幅412的皺摺408。輪廓406與縱橫比振幅412除以寬度410成反向二次地變化。反向二次意味著，隨著應變加倍寬度410到振幅412增加2的平方根因子。
參照圖5，本申請的裝置在俯視圖中示出形狀可調微結構植入物，其中誘導的莎拉馬赫波引起微結構犁。本發明的微結構裝置500包括芯構件502和微結構504。可變形表面506相對於微結構裝置500平移。莎拉馬赫波508指向方向510。最終，莎拉馬赫波分成兩部分512和514，其中每個部分指向交叉點516。部分512和514在交叉點516處相遇並阻止進一步的平移518。
在圖6中，示出微結構裝置和可變形表面之間的剪力，其中可變形表面中的誘導波動超過拉金長度。拉金長度定義為超過特徵長度，其位移場的波動變得大於釘扎中心的典型尺寸。如果將與表面接觸的裝置建模為位移場，則目標表面或裝置中的不均勻性可以在小區域中產生相對運動的波動。當這些波動超過一定大小，即拉金長度，然後釘扎中心被中斷。
參照圖7，示出裝置可變形表面介面700。由於兩種波的疊加導致的抓握現象，第一波是莎拉馬赫波本身702，第二波是滑動脈衝704。滑動脈衝704具有不包含在共振頻譜706中的振幅和頻率，其中微結構708的空間頻率與莎拉馬赫波702的空間頻率匹配。滑動脈衝704是對應於屈曲的彈性狀態，其在710處暫時破壞勢能和諧振形式706之間的穩態。
在一些情況下，滑動脈衝704消散712且重新建立黏合。在其他情況下，滑動脈衝以能量增長，最終達到介面基本上被破壞的振幅。在這種情況下，滑動脈衝致動分離脈衝714。在滑動脈衝704消散的情況下，分離脈衝714形成並定位在介面的前沿上。在滑動脈衝704未被消散的情況下，分離脈衝714的能量透過交互作用區域716傳輸。
如所述，有可能具有存在的所有三個波同時，而所述介面處於運動中。換句話說，在介面中形成壓縮波，在前緣上形成分離波形714，並且來自分離波的能量以滑動波704的傳播形式洩漏718到介面中。因此，特徵黏滑現象根據上述三個識別的波正確理解的結果，與不同的表面波相關聯，每個表面波具有完全不同的波長和振幅。 例1
具有著具有能在期望的結果之間進行區分的形狀依賴握力的可調皺褶的觸控螢幕裝置。
參考圖8，指尖表面802與結構化液晶觸敏(touch sensitive)螢幕804形成介面800。指尖表面802包括在水平808和垂直810區域中定向的曲線平行脊組806。觸控螢幕表面804包括在水平814和垂直816區域中定向的直線脊組812。808的空間週期性與814的空間週期性相匹配。810的空間週期性與816的空間週期性相匹配。當手指表面802與螢幕表面804接觸時，如818所示，當施加剪力820時，圖案808與圖案814鎖定，且在施加剪力822時，圖案810與圖案816鎖定。
應當理解的是平移運動不需要用於所述觸控螢幕在兩個不同的正交的方向820和822寄存力(register force)。觸控螢幕結構812可以理解是一個彈性脊組，其在剪力下稍微變形。因此，可以將高度靈敏的二進制操作傳送到本領域中已知的電腦系統。如在824所示，可以用大量結構單元804平舖(tile)大觸控螢幕。結構單元804的直徑可以是1mm，更較佳地是0.5mm到100微米。如果結構806是812的空間週期性的整數倍，則結構812可以具有顯著小於806的空間週期性的空間週期性。
上述示例性發明在潮濕的環境，其中的觸控螢幕表面的冷凝水或污染通常降低觸控螢幕的靈敏度特別有用。表面可選地是超疏水或階層式。階層式圖案可包括用作疏水表面的小刻度和用作夾帶表面的第二較大尺寸結構。
參考圖9，在觸控螢幕表面900上示出單位表面結構902。單位表面結構902可以具有體厚度906或隨後的反向圖案908。最小結構910由直徑為5-10微米的柱子組成，具有空間週期性5-10微米，高度為直徑的1-5倍。表面結構910排斥水。中等結構912由直徑10-50微米的柱子組成，具有空間週期性50-500微米，高度為直徑5-15。大結構902是二維正弦曲線，振幅為100-1000微米。 例2
本申請的發明的另一實例是揭露由本裝置建立的耐磨性滑動介面，其中動態振盪上在裝置的形狀可調微結構上誘導，其中裝置微結構和環境表面上的微結構之間的位置關係被設計相對於微結構形狀的動態振盪(縱橫比)最大化。參考圖10，由交叉點1002和頂點1004限定的形狀可調表面1000限定柔性柱的位置，其直徑範圍為0.001至0.1的圖案的直徑1006。支柱的高度在直徑1006的0.01至0.1的範圍內。柱子的位置由下面的列表A參考圖10B所提供。 例3
參考圖11，應變可調裝置1100夾帶由應變1104引起的莎拉馬赫波1102。當裝置應變1106超過1%時，應變可調裝置1100將彎曲1108成波長為1110的皺褶，其中皺褶1008的振幅1112與波長1110呈現反向二次關係，增加振幅1112在10到1000微米的範圍內，更典型地1112在25微米到約100微米的範圍內。較佳地，應變可調裝置，其中縱橫比(振幅1112/波長1110)相對於應變範圍內約0.01至0.20的應變為反向二次方。
可選地，支柱1114可以是錐形的(taper)，如所示，或直圓柱(right cylinder)。較佳地，支柱1114具有軸向指向的凹槽或脊1116，或可選地同心地指向的凹槽或脊1118。
該實施例3中有用的材料是彈性的聚氨酯或矽酮。適用於構造圖案化表面的聚合物包括聚酯氨基甲酸酯。聚酯氨基甲酸酯是與丙交酯二醇共聚的聚氨酯。 丙交酯二醇的製備
本程序是在與低溫蒸餾(cryogenically distilled) (乾燥)氬氣或氮氣連續吹掃的封閉容器進行執行。30克1,6-己二醇(hexanediol)將被放置在600毫升的甲苯(toluene)中在配備有磁力攪拌棒且有刻度的2升平底燒瓶中。燒瓶應蓋上2孔塞子，一個孔配有輸入導管，另一個孔配有連接到集油器的輸出導管(以防止水蒸氣回流)。輸入導管連接到氮源，氮氣以每小時約5升的速度流動。將燒瓶置於磁力攪拌器/熱頂組合上。
甲苯溶液進行攪拌，同時將溶液溫度升至70℃，且此後以10℃增量直到二醇完全溶解。溶解後，應注意溶液體積。繼續溫度和氮氣流量直至溶液體積下降150毫升。溫度可升至130℃以促進甲苯汽化。
該溶液的樣品是透過注射器(以避免與潮濕空氣接觸)，並透過真空蒸發除去甲苯進行檢索。在固體己二醇進行卡爾‧費歇爾(Karl Fischer)含水量測量。
上述的蒸餾過程是連續進行，直到含水量是按重量計＜300ppm H2 O。將溶液冷卻並在氮氣下儲存。
使用上述設置，150克D,L-丙交酯和150克L,L-丙交酯是透過加熱至115℃溶解於1750毫升的甲苯，同時在氮氣流下攪拌。
一旦溶解的溶液的體積是要注意，溫度要升高到130℃。繼續氮氣流直至除去400毫升甲苯。
該溶液的樣品是透過注射器(以避免與潮濕空氣接觸)，並透過真空蒸發除去甲苯進行檢索。在固體己二醇上進行卡爾‧費歇爾含水量測量。
上述的蒸餾過程是連續進行，直到含水量為按重量計＜300ppm的H2 O。將溶液冷卻並在氮氣下儲存。
稱取適當尺寸的燒瓶(4L)。注意燒瓶重量，較佳地，重量包括封閉裝置或具有斷開的封閉導管的塞子。將己二醇和丙交酯溶液在稱重的燒瓶中混合，與氮氣流連接並攪拌。組合的溶液以10℃的增量加熱至70℃。
15分鐘後，600毫克錫乙基己酸(ethylhexanoate)是使用1cc注射器逐滴加入，同時劇烈攪拌。溶液的溫度以10℃的升高至120℃。如果使用溫度控制的加熱套，溫度升高將足夠慢，使10℃的加熱增量可以忽略不計。
關閉氮氣流，同時保持導管連接，使得溶液的體積是與空氣的接觸閉合。在攪拌和加熱的同時，反應5小時。再加入400毫克乙基己酸錫(ethylhexanoate)。用氮氣沖洗。再繼續3個小時。再加入400毫克乙基己酸錫。用氮氣沖洗。在120℃下再繼續11小時。將溶液溫度降至70℃。將集油器的輸出端口連接到真空源。停止攪拌並加熱直至除去甲苯。停止真空。加入800毫升乾燥氯仿，用氮氣沖洗，在70℃下攪拌直至固體完全溶解。使用0.2微米PTFE過濾器過濾所得的混濁溶液。在真空下從濾液中除去溶劑。使用卡爾‧費歇爾測量乾燥固體的樣品的含水量。含水量＜300ppm。如果不在本說明書中，則可以透過氯仿蒸餾乾燥固體。 聚酯氨酯(Polyester Urethane)的製備 原料
所有的操作都是氮和乾燥溶劑下進行。 建議設備：
建議使用有中心端口的2升四端口刻度玻璃反應器，用於引入馬達推動的攪拌棒。攪拌棒較佳地是多層的，具有成角度的葉片以避免層流混合。反應堆應配備一個配有熱電偶和可程式設計的溫度控制器的加熱套(heating mantle)。[較佳地，罩子還具有冷卻能力，其中流體填充的罩子與循環控制單元一起使用。]較佳地，反應體積不暴露於熱電偶，而是熱電偶嵌入加熱套中。由於最終產品的高黏滯度和快速和完全混合的需要，不鼓勵使用磁力攪拌棒。兩個自由端口應配備用於輸送和去除氮氣的導管。輸出端口應連接到集油器以防止水蒸氣回流。理想地，導管包含閥門以提供反應體積的輸送而不暴露於空氣。最後一個端口，即診斷端口，用於添加和檢索反應體積。氮大氣(nitrogen atmosphere)應在正分壓下輸送，以補償外部攪拌裝置和診斷端口的定期打開。透過觀察集油器中的氮氣泡來指示分壓，且它們的產生速率可用於設定和維持合理的氮氣流速。
用氮氣清洗該反應器。加入得自上述步驟的40.32克PLA二醇，和使用上述裝置的40.11克Terathane 2000和810毫升甲苯。將攪拌速率設定為每分鐘100次。透過加熱至115℃，同時在氮氣流下攪拌，完成溶解。
一旦溶解的溶液的體積是要注意，溫度為要升高到130℃。繼續進行氮氣流，直至除去200毫升甲苯。
將反應器冷卻至15℃(或室溫，如果罩子沒有配備冷卻劑)。在攪拌的同時，透過診斷端口並在氮氣流下加入30毫升甲苯，然後加入45.09克IPDI。攪拌30分鐘。滴加6.74毫升二月桂酸二丁基錫(dibutyltin dilaurate)。
使用診斷端口，取出溶液的樣品以測量%NCO。可以使用二丁胺反滴定測量%NCO。透過這種方法，傳統上至少需要進行3次NCO測量，或者可以這樣做直到獲得所需的標準偏差。
升高反應器的溫度到75℃。在氮氣流下使混合物在75℃下反應4小時。採取NCO。再進行一個小時的反應，採取NCO。如果5小時的NCO小於4小時測量的95%，則持續反應1小時，直到連續測量之間的NCO變化小於5%。
使用PLA二醇的製劑的設置，在230毫升乾甲苯中溶解12.872克的丁二醇。透過加熱至75℃來完成溶解。
添加丁二醇溶液到反應器中。在氮氣流下使混合物在75℃下反應9小時。採取NCO。再做一個小時的反應，採取NCO。如果10小時的NCO小於9小時測量值的95%，則繼續反應1小時，直到連續測量之間的NCO變化小於5%。
在此步驟的過程中，可以添加甲苯，以減少反應物的黏滯度，並改善混合。在該反應過程中會產生相當大的扭矩。
當NCO已經穩定[如果沒有水進入系統，這應該是從批次(batch)可再現到批次中]，慢慢倒出反應體積到真空室中。如果反應體積仍然很熱，則更容易進行。施加真空並除去甲苯，將得到的固體溶於1000毫升THF中。將聚合物在15L戊烷(pentane)中沉澱，過濾並用戊烷重複洗滌並在50℃下真空乾燥。正戊烷(n-Pentane)可以從Acros獲得且在再蒸餾(redistillation )後使用，THF(也來自Acros)按原樣使用。
得到的聚酯聚氨酯具有132℃的熔融溫度攝氏度且可溶於大多數溶劑，例如甲苯和丙酮。因此，實施例3的結構化表面可以透過在模具上溶液澆鑄或在模具上熔融擠出來製造。 例4
參考圖12，描繪應變可調裝置1200，其中抓握與裝置的楊氏模量和目標表面的楊氏模量之差成正比。這種應變可調裝置可用作自定位植入物。例如，實施例3的聚氨酯具有極強的彈性，並且通常具有100%至約800%的斷裂應變值。由於大多數生物組織是彈性的，因此構建表面的表面是有用的，該表面遵循裝置意圖放置在其上而沒有滑動的組織的自然彈性。例如，在身體內的組織表面之間放置抗黏合屏障。
特別有興趣的是器官和肌肉組織的屈曲波長，其範圍從50到200微米給定的楊氏模量為所述目標組織的範圍在25 -100千帕的範圍內。因此，任何間距大於200微米的大尺寸微結構足以穩定微結構化裝置以防止在皮膚上彎曲。假設大尺度微結構的振幅在50-200微米的範圍內，則對於接近50微米的間距將發生更大的階層式釘扎。
莎拉馬赫波振幅和組織的頻率，以及與組織接觸的表面的振幅和頻率的匹配，最小化所述表面裝置定位於目標組織所需的特徵的尺寸和粗糙度。這種考慮特別重要，因為粗糙表面和組織之間的任何滑動引起組織黏合，這是與許多植入物相關的不利事件。
參考圖12，抗黏合植入物表面1200具有光滑的光滑表面1202和結構化側1204。結構化側1204設計成黏合到組織側1206，並且光滑側1202設計成抵抗裝置側1202和第二組織側1208之間的組織黏合。裝置1200的厚度1210是從20微米至1000微米。支柱1212的高度為10至100微米，直徑為10至100微米，間隔為50至200微米。較小的支柱1214的高度為5至10微米，直徑為5至10微米，並且間隔為7至25微米。
通過調節本實例的厚度1210，獲得應變可調裝置，其中組織中誘導的莎拉馬赫波的振幅與裝置的楊氏模量和目標表面的楊氏模量的差異成比例。
可選地，參考圖12，裝置1200包括兩層或更多層，其中第一接觸層1216具有相對於裝置的遠端層1218的楊氏模量的不同楊氏模量。特別地，平滑層1216的模量不同於微結構1218的模量。
可選地，應變可調裝置1200包括階層式微結構，其中，在每個階層式層1112和1214是由不同的楊氏模量的基板材料組成。
可選地，應變可調裝置1200包括階層式微結構，其中裝置的基板本體的厚度1216被選擇以產生對目標表面最大的抓握。 例5
參考圖13，本發明的抓握裝置1300採用脊1302和支柱1304，使得在剪力下與裝置1300接觸的組織誘導組織犁向1306柱1304。支柱1304和脊1302可設置在條帶1308和1310中，或以任何規律的方式。脊1302具有方向性，且兩個脊條1310和1312可以使其方向性反轉。
組織進行犁1306以誘導莎拉馬赫波在支柱1308的區域。因此，這是有利於空間1314的支柱，使得1314對應於感應莎拉馬赫波的空間週期性。
因此，可以理解以抓握裝置獲得的附加抓握力由沿相反方向定向的表面微結構組成，使得定向的表面微結構的莎拉馬赫在目標表面誘導的波平行於微結構的定向，使得雙定向莎拉馬赫波沿著莎拉馬赫波的振幅疊加的中心線會聚，產生莎拉馬赫波，其振幅大於莎拉馬赫波的部分中非疊加的振幅。
相應地，參照圖13，在區域1308中可能缺少結構，其中表面起皺可能累積而沒有滑動。此外，這些累積區域可以垂直(如圖所示)定向或平行於平移方向1316定向。
通常是透過例5中描述的表面結構設置在定位結構化裝置中是特別有效的的一個原因是，由於表面微結構在裝置和目標表面之間的形成黏合連接，其中，剪力特徵在於是在區域1310的能量耗散緊鄰接觸區域1308。或者相反，當1308沒有結構時。
特別地，例5形成裝置與目標表面中的庫侖鎖定，其中，剪力特徵在於在接觸面積內區域的裝置和目標表面之間的表面能降低。
特別地，例5是由在裝置與目標表面之間形成莎拉馬赫犁、黏合連接及庫侖鎖定的表面微結構所組成。
更佳地，例5是由在裝置與目標表面之間形成庫侖鎖定的表面微結構所組成，其中，庫侖鎖定是在裝置上的微結構和目標表面的本徵皺褶的空間週期之間。
在本申請的另外的其它的例子，如在例4中，由表面微結構組成的裝置在裝置表面和目標表面之間的介面分配外部剪切應力，使得剪切應力是在裝置和目標表面之間的接觸區域盡可能均勻分佈。該特徵在植入物應用或經常與人體組織接觸的表面中特別有用。
本申請的一般工作原理是揭露由表面微結構和楊氏模量組成的裝置，其在裝置表面和目標表面之間的介面分配外部剪切應力，使得在裝置和目標表面之間的接觸的每一個點的剪切應力在該點處最小地偏離目標向量。
在本申請的另一個目的是揭露由表面微結構和內部結構組成的裝置，使得在與目標表面接觸的裝置的圖案抑制透過在裝置圖案和目標表面週期性之間增加彈性耦合的順序介面滑動。
通常，本申請的裝置是由表面微結構劃分成兩種類型組成的裝置。第一類型微結構是低模量且被設計用於小的法向負荷，其中弱釘扎可被預期，其中由於力的空間波動而產生的抓握被建立，其中抓握區域小於彈性變形佔優勢的拉金長度。第二類型微結構是高模量且被設計用於高負載，其中長度模式大於拉金長度，其中無序勢能占主導地位，並且模式介面的不同部分不變形，並且固定釘扎中心。
可以理解，從這裡給出的教示是，本申請揭露由與目標表面交互作用的表面微結構所組成裝置，以誘導增強抓握的表面變形，由已知的彈性模量和介面性質組成的裝置，其實現在黏合力、裝置材料特性和誘導皺褶幾何形狀之間的最佳比例關係。
本發明的另一個一般特徵是具有強烈抓握目標表面能力的裝置，然後可逆地分離、反覆，而不損壞目標表面。
本發明的另一個一般特徵是裝置，具有特徵是：與1)莎拉馬赫波，2)滑動脈衝和3)分離脈衝單獨或組合地的介面。
本發明的另一個一般特徵是裝置，具有特徵是：控制莎拉馬赫波，滑動脈衝和分離脈衝透過裝置和目標表面之間的介面區域的傳播。
100‧‧‧莎拉馬赫夾帶機構 102‧‧‧平行脊形圖案裝置 104‧‧‧莎拉馬赫波 106‧‧‧右側 108‧‧‧可變形表面 110‧‧‧莎拉馬赫波 112‧‧‧夾帶 114‧‧‧微結構 200‧‧‧形狀可調微結構 202‧‧‧裝置 204‧‧‧柔性微結構 206‧‧‧可變形表面 208‧‧‧莎拉馬赫波 300‧‧‧形狀可調微結構 302‧‧‧裝置 304‧‧‧大微結構 306‧‧‧可變形表面 310‧‧‧預期工程頻率 308‧‧‧莎拉馬赫空間頻率 400‧‧‧可應變裝置 402‧‧‧芯構件 404‧‧‧微結構 406‧‧‧輪廓 408‧‧‧皺摺 410‧‧‧寬度 412‧‧‧振幅 500‧‧‧微結構裝置 502‧‧‧芯構件 504‧‧‧微結構 506‧‧‧可變形表面 508‧‧‧莎拉馬赫波 510‧‧‧方向 512‧‧‧部分 514‧‧‧部分 516‧‧‧交叉點 518‧‧‧平移 700‧‧‧可變形表面介面 702‧‧‧莎拉馬赫波 704‧‧‧滑動脈衝 706‧‧‧共振頻譜 708‧‧‧微結構 710‧‧‧處 712‧‧‧消散 714‧‧‧分離脈衝 716‧‧‧交互作用區域 718‧‧‧洩漏 800‧‧‧介面 802‧‧‧指尖表面 804‧‧‧觸控螢幕表面 806‧‧‧曲線平行脊組 808‧‧‧水平 810‧‧‧垂直 812‧‧‧直線脊組 814‧‧‧圖案 816‧‧‧垂直 818‧‧‧處 820‧‧‧剪力 822‧‧‧剪力 900‧‧‧觸控螢幕表面 902‧‧‧單位表面結構 906‧‧‧體厚度 908‧‧‧反向圖案 910‧‧‧最小結構 912‧‧‧中等結構 1000‧‧‧形狀可調表面 1002‧‧‧交叉點 1004‧‧‧頂點 1006‧‧‧直徑 1008‧‧‧皺褶 1100‧‧‧應變可調裝置 1102‧‧‧莎拉馬赫波 1104‧‧‧應變 1106‧‧‧應變 1108‧‧‧彎曲 1110‧‧‧波長 1112‧‧‧振幅 1114‧‧‧支柱 1116‧‧‧凹槽或脊 1118‧‧‧凹槽或脊 1200‧‧‧應變可調裝置 1202‧‧‧光滑表面 1204‧‧‧結構化側 1206‧‧‧組織側 1208‧‧‧第二組織側 1212‧‧‧支柱 1214‧‧‧支柱 1216‧‧‧平滑層 1218‧‧‧遠端層 1300‧‧‧抓握裝置 1302‧‧‧脊 1304‧‧‧支柱 1306‧‧‧方向 1308‧‧‧條帶 1310‧‧‧條帶 1312‧‧‧脊條 1314‧‧‧空間 1316‧‧‧平移方向
圖1描繪裝置和可變形表面之間的特徵庫侖鎖定的莎拉馬赫夾帶機制。
圖2描繪本申請的裝置，其示出形狀可調微結構，透過向裝置施加應變來可逆地控制裝置的微結構的深度和方向。
圖3描繪本申請的裝置，其具有形狀可調微結構，其中採用毛細管作用。
圖4描繪形狀可調微結構植入物，其中變形包括微結構的變形(deflection)和對芯(core)材料的應變。
圖5描繪形狀可調微結構植入物的俯視圖，其中誘導的莎拉馬赫波引起微結構犁。
圖6說明微結構裝置和可變形表面之間的剪力，其中可變形表面中的誘導波動超過拉金長度。
圖7描繪透過允許以微(minor)滑動脈衝的形式週期性釋放分離脈衝壓縮能量而不產生裝置表面分離而提供高剪力抓握的裝置可變形表面。
圖8描繪一種微結構觸控螢幕，其適用於指尖表面的結構。
圖9描繪一種階層式微結構觸控螢幕，適用於防止水或碎屑(debris)污染(fouling)。
圖10A和10B描繪一個包括柱子(pillar)和脊(ridge)的通用(versatile)的形狀可調表面。
圖11描繪應變可調裝置的實施例。
圖12描繪應變可調裝置，其中抓握與裝置的楊氏模量和目標表面的楊氏模量之差成正比。
圖13描繪可調裝置，其中透過將莎拉馬赫波犁到釘紮結構上來增強抓握。
200‧‧‧形狀可調微結構
202‧‧‧裝置
204‧‧‧柔性微結構
206‧‧‧可變形表面
208‧‧‧莎拉馬赫波

Claims (20)

  1. 一種具有包括形狀可調表面微結構的抓握表面的裝置，其中，該表面微結構包括20微米至1000微米的厚度，且其中，該表面微結構進一步包括具有高度和寬度的多個微特徵，其中該多個微特徵被分組為多個部分，使得第一多個微特徵的第一部分平行於第二多個微特徵的第二部分定位，且其中凹槽設置在該第一和第二部分之間，該凹槽具有從50微米到200微米的寬度，該表面微結構的高度、寬度和空間週期性對應於目標表面的莎拉馬赫(Schallamach)波振幅和波長的整數倍，其中該微結構和誘導的莎拉馬赫波在平行的該凹槽的正交方向上透過對該裝置施加應變被夾帶。
  2. 根據請求項1所述的裝置，其中，該形狀可調表面微結構在該微結構和該目標表面之間產生毛細管作用，其中存在於該目標表面的液體被吸入微米級或奈米級表面結構尺度中的至少一個，且其中，當該應變被施加到該形狀可調表面微結構時，該毛細管現象透過該形狀可調表面微結構的形狀的變化來保持。
  3. 根據請求項1所述的裝置，其中，該形狀可調表面微結構包括具有可調皺褶的觸控螢幕裝置表面，該可調皺褶具有能夠區分所需結果的形狀依賴抓握力。
  4. 根據請求項1所述的裝置，其中，該形狀可調表面微結構回應於有意的觸摸而引起不連續的結果。
  5. 根據請求項1所述的裝置，其中，該形狀可調表面微結構由於透過該表面建立的滑動介面而耐磨損，其中，在裝置上的形狀可調微結構上引起動態振盪，其中，該裝置微結構與該目標表面上的該微結構之間的位置關係設計用於最大化相對於該微結構的該形狀的該動態振盪。
  6. 根據請求項1所述的裝置，其中，當該應變超過1%時，該形狀可調表面微結構在功能上被活化，其中，該微結構與應變相結合使得該裝置彎曲成預期波長的皺褶，其中，該皺褶的該振幅與空間波長呈現反向二次方關係，其中，該振幅在10至1000微米的範圍內減小，更通常在25微米至約100微米的範圍內減小。
  7. 根據請求項1所述的裝置，其中，該形狀可調表面微結構包括振幅和空間波長，其中，在應變範圍內約0.01至0.20，振幅與波長的縱橫比相對於該應變為反向二次方。
  8. 根據請求項1所述的裝置，其中，選擇該形狀可調表面微結構和該抓握表面裝置的組成，使得剪切應力與該組合物的楊氏模量和該目標表面的楊氏模量之差成正比。
  9. 根據請求項8所述的裝置，其中，選擇該形狀可調表面微結構以誘導莎拉馬赫波，其振幅與組合物的楊氏模量和該目標表面的楊氏模量之差成正比。
  10. 根據請求項1所述的裝置，其中，該裝置包括兩層或更多層，其中，第一接觸層相對於該裝置的遠端層的楊氏模量具有不同的楊氏模量。
  11. 根據請求項1所述的裝置，其中，該形狀可調表面微結構由階層式微結構組成，其中，每個階層式層由不同楊氏模量的基板材料組成。
  12. 根據請求項1所述的裝置，其中，該形狀可調表面微結構包括階層式微結構，其中，選擇該裝置的基板主體的厚度以產生目標表面的最大抓握。
  13. 根據請求項1所述的裝置，其中，該裝置包括以相反的方向定向的表面微米級結構，使得在目標表面被誘導的莎拉馬赫波以平行於該微結構的配向，使得雙定向莎拉馬赫波沿中心線收斂，其中，該莎拉馬赫波的該振幅疊加，產生莎拉馬赫波其振幅比該莎拉馬赫波不疊加的部分的振幅大。
  14. 根據請求項1所述的裝置，其中，該形狀可調表面微結構在該裝置和該目標表面之間形成黏合連接，其中，剪力的特徵在於在緊鄰接觸區域的區域處的能量耗散。
  15. 根據請求項14所述的裝置，其中，該形狀可調表面微結構在該裝置和該目標表面之間形成庫侖鎖定，其中，該剪力的特徵在於在接觸區域內的區域處在該裝置與該目標表面之間的表面能量減少。
  16. 根據請求項1所述的裝置，其中，該形狀可調表面微結構在該裝置和該目標表面之間形成莎拉馬赫犁、黏合連接和庫侖鎖定。
  17. 根據請求項1所述的裝置，其中，該形狀可調表面微結構在該裝置和該目標表面之間形成庫侖鎖定，其中，該庫侖鎖定在該裝置上的微結構的空間週期性與該目標表面的特徵褶皺之間。
  18. 根據請求項1所述的裝置，其中，該形狀可調表面微結構在裝置表面和目標表面之間的介面處分配外部剪切應力，使得該剪切應力在裝置與目標表面之間的接觸區域上最大程度地均勻。
  19. 根據請求項1所述的裝置，其中，該裝置的組合物的 該形狀可調表面微結構和楊氏模量在裝置表面和目標表面之間的介面處分配外部剪切應力，使得裝置與目標表面之間的接觸的每個點處的剪切應力向量，在該點處最小地偏離目標向量。
  20. 根據請求項1所述的裝置，其中，該形狀可調表面微結構在與該目標表面接觸時，透過增加裝置圖案與目標表面週期性之間的彈性耦合來抑制順序的介面滑動。
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