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1、应用于未来爬壁机器人的微纳米结构壁虎脚趾梅旦西蒂(美国卡内基梅隆大学，机械工程学系和机器人研究所)罗纳德斯费林(美国加州大学伯克利分校，绒毛动机电子控制系统研究所)msittiandrew.cmu.edu, ronfeecs.berkeley.edu摘要本文提出了用于未来爬壁机器人的壁虎脚趾粘附的制造技术，也对合成绒毛的设计问题作了阐述。提出了2种纳米成型制造技术：第一种方法使用纳米探测技术缩进石蜡表面里，第二种是使用纳米孔膜为模板。这些模板是成型的硅橡胶，像聚酰亚胺等类型的真空聚合物。下一步，计算设计参数，如长度，直径，硬度，密度，和方向，定向的绒毛决定了光滑和粗糙表面的适应能力。初步纳米绒
2、毛原型显示粘附值接近于预测值，则为天然组织样本（约100网络每个）。1 导言 纳米技术是研究本世纪新的信息技术和生物技术的一项关键的技术。另一方面，纳米技术将应用于制造机器人新型材料，本文的重点是使用纳米技术绒毛展生物启绒毛干燥粘合剂，应用于未来爬壁的和手术的机器人，其次是绒毛展一般干胶粘剂1。壁虎可以攀爬和行走在潮湿或干燥或很光滑或非常粗糙的表面，并且具有极高的机动性和效率。要获得类似表现的爬壁机器人，脚的吸附和释放机构是关键的部分。壁虎有兼容高纵横比的 -角蛋白结构的微纳米脚，这种任何脚能控制表面的压力接触面积2。这主要是由于粘附的分子具有等势力范德华力 3 。这种分层结构就是大壁虎脚，脚
3、趾绒毛如图1所示。电子扫描显微镜（扫描电子显微镜）是用于在亚微米和纳米级分辨率的图像中的数字显微镜。足绒毛是微米尺度（肉柄）和下降到100-200纳米直径（肉柄匙突）的分支 2 。此外，还有定向的包膜（匙突）约300-500纳米宽的肉柄匙突。本文的重点是制造合成肉柄匙突（纳米绒毛）和刚毛脚（微绒毛）这两种壁虎脚绒毛 。三维制作匙突是今后的工作。 制造合成绒毛的基本特征有如下集中方式：（ 1 ）高纵横比微米（ 1:10-30 ）和纳米（ 1:20-50 ）的规模结构，制造直径分别在3-10微米和50 - 500 nm处；（ 2 ）使微纳米绒毛的密度最大化（绒毛数量在某一特定领域，如一平方厘米）可
4、以使其具有较高的附着力；（ 3 ）为了保护编织物，可以最大限度地提高纳米绒毛刚度；（ 4 ）合成绒毛的材料特性：杨氏弹性模量平均为1-15，疏水性，高拉伸强度。 图1 ： 大壁虎脚趾绒毛组织图片：壁虎足底图像（左图像）；放大到一束（右上图，直径约10m）；使用电子显微镜扫描放大绒毛柄末端（右下图，直径约300 nm）（来源凯勒教授的见解）2 制造方法 制造合成绒毛需具有上述所说的功能，首先要有一个具有微米或纳米级高纵横比孔的主模板，这些孔能使合成绒毛具有成型液体聚合物的特性6, 1。然后固化成型聚合物和使用剥落或腐蚀方法让主模板脱离出来。使用纳米成型技术的两种不同的方法说明如下。2.1 方法一
5、：纳米机器人的印迹 第一种方法，制造纳米结构的形状，例如：1）如用原子力显微镜（AFM）或隧道扫描显微镜探头观测的纳米尖端，或玻璃吸管等；2）阵列这些纳米尖端；3 ）其他任何高宽比的微/纳米结构阵列，都是用缩进方式印在柔软的表面。此前， 纳米尖端阵列曾被用作模板压印在直径和深度分别为0.8m和3m的聚苯乙烯表面7。此外，利用原子力显微镜探针缩进的聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）应用存储数据 8或用于40纳米以下金属接触的尖端阵列和金属层的成型模式9 。 在本文中，一个单一的原子力显微镜探针（瑞士纳沙泰尔纳米传感器公司的尖锥形尖端纳米半径为10-20纳米，高度为15微米，刚度为42牛顿/米）是用来缩
6、进在一平的蜡表面的（弗里曼公司硕士学者多尔切斯特），这可以从图2看出来。在图3A中展示了一个缩进在蜡表面的模板例子。成型后的硅橡胶或任何其他聚合物和蜡模板中的聚合物分离，从图3B中展示出合成纳米绒毛。从两个不同的疏水性高分子材料制备合成纳米凸点（约87o接触角的去离子水）：硅橡胶（道康宁公司，高速二，米德兰，MI）和聚酯树脂（塑料公司技术咨询，斯托克顿，美国加利福尼亚）。硅橡胶的弹性模量是0.57兆帕恒量。已知矩形尺寸橡胶束可以确定衡量刚度模。然而，羽毛状 -角蛋白的弹性模量平均为1-10 10 ，而壁虎脚趾估计范围平均在1-15，我们使用原子力显微镜测量的一个基于单一的大壁虎肉柄探针弯曲。虽
7、然橡胶具有良好的粘沾性，但是我们担心，天然橡胶粘性可能有助于附着力的测量，但不助于普通范德瓦尔斯力的测量。因此，聚酯还试图被作为成型的高分子材料。聚酯的杨氏模量在恒量0.85千兆的附件。所以，这是一个可以与自然纳米绒毛更好匹配的模。图2 ：制作合成绒毛的方法一：（a）使用微/纳米加工的探针纳米尖端缩进在石蜡的表面 ， （b）成型的聚合物，以及（c）用剥离方法使聚合物从蜡的表面分离。（a）（b）图3 ：显微镜观测的用原子力轻敲的三维模式形象（a）基于原子力显微镜探针蜡缩进在表面， （二）模塑和脱落硅橡胶纳米绒毛。图4 ：拉力测量值的合成（硅橡胶（实线）和聚酯（虚线）使用原子力显微镜探针观测的纳米
8、尖端（箭头表示卸载方向）刻画合成绒毛粘附在一个自然氧化层的硅表面，使用武力卸载距离样本对拉力进行了测量，图4为原子力显微镜（美国亚利桑那洲坦佩分子成像公司的计量原子力显微镜）观察图像，以及用硅原子力显微镜探针矩形尖端刚度为175牛顿/米和收缩速度为390纳米/s。在距离装卸曲线上，最大的吸引力（分离力）提供的粘附力的在SiO2表面合成纳米凹凸的探针。实验室测量环境温度是在25oC，相对湿度是58。分离力用来衡量181 9 nN（ 25样本）的硅橡胶纳米凸点与半径在230 440纳米（测量三维AFM图像）范围内的尖端和294 21 nN（20个样本）的聚酯纳米凸点与尖端半径为350纳米。因此，我
9、们已经表现出了良好的重复性。在平均方根粗糙表面上，显微镜观察硅橡胶和聚酯在基板测量原子力约为3纳米到5纳米之间。因为这些价值观念都相对较小，我们无法衡量粗糙度尖端对合成纳米凸点的直接的影响，所以表面粗糙度被省略。分离力在球形表面的计算，在约翰逊尔莫肯德尔罗伯茨（ JKR ）理论中有计算公式，为F = 1.5RW12 ，其中W12 = 1 + 2 - 12 2 11的工作时的粘附力，12是界面表面能量，而R是球形尖端半径。1 = 160 40 mJ/m2 12和2分别是表面为SiO2层和聚合物层的能量值。对具有2 = 21.4 mJ/m2 14 及185 nN的分离力的硅橡胶，理论半径预期在R
10、335 nm左右。对于具有2 = 44.6 mJ/m2 14 和279 nN的涤纶是可以预期的。这些预期粘附力都非常接近实测值。这粘附力和范德华力相符合。用这些粘附力来计算，使用公式FvdW = HR/6，其中d0 0.165纳米是近似界面的截止距离11和H是哈梅克常数。使用H 4510-21 J（估计从H = 2.110-24 11）的橡胶，H = 60.510-21 J 13的聚酯，和H = 68.510-21 J 13的二氧化硅，硅橡胶和聚酯的范德瓦尔斯力分别为FvdW= 114 nN 和 FvdW= 139 nN。因此，合成纳米凸点的47-63 的粘附力是由于范德华力，而其余的可能是由
11、于极性相互的作用，或者其他粘附的影响，以及表面粗糙度的影响。2.2 方法二：并行加工第二种制造方法，用一种具有自组织高纵横比孔的模作为主模板和成型的液体聚合物。两种类型的膜用于：氧化铝膜（新泽西州瓦特曼公司的纳米）和聚碳酸酯模（美国明尼苏达的奥斯莫尼斯实验室Poretics公司）。他们有不同直径，密度和厚度，杨氏模量，最大塑性变形温度，腐蚀性能等参数的微/纳米孔（1）。首先，具有直径200纳米和60 m垂直厚度的纳米孔的氧化铝膜（图5A ），是用于在真空中成型的硅橡胶，如图5B。从这个数字可以看出，60微米长的纳米绒毛太柔软和过于密集（即太接近对方） ，而不能使自身粘牢固。然而，这一结果表明使
12、纳米孔成型与在真空条件下小规模形成200纳米孔径的液体聚合物的可行性相比，它会由于像具有非常强性的流动性的液体聚合物一样通过毛孔，以增加表面积和阻力。图5 ：上面的视图为扫描电子显微镜照片（一）孔直径为200纳米的氧化铝膜（左图像） ， （二）具有200纳米直径，总长度60微米，与绒毛基层约100纳米间距的成型硅橡胶纳米绒毛（右图像）。 缩短纳米绒毛的长度，可以降低纳米绒毛的密度，减少聚碳酸酯膜的使用。这些膜具有随机取向的造成纳米孔（ 15o）的核径迹腐蚀。直径8微米的聚碳酸酯膜与硅橡胶在真空室温下成型，及橡胶膜硬化后脱落，需要24小时。制造出的直径和长度约为6 m的橡胶绒毛形状，显示在图6中
13、 。更小直径（小到100 nm 以下）的膜成型目前正在进行中。橡胶绒毛粘附的阵列图，是使用力传感器在单位约为2.8 mN/cm2的具有25 mN预载荷的玻璃基板上测量的。这意味着制造一个密度为5104 pores/cm2绒毛的粘附力大约60 nN，并可以使所有绒毛接触基层。图6 ：扫描电子显微镜的图像显示:成型橡胶绒毛的直径约600微米， 长度约为6微米，以及密度为5104 pores/cm2。 3 壁虎的匙突绒毛模型要了解影响的纳米绒毛大小，密度和方向的因素，可以仿照一个匙突绒毛作一个简单的悬臂梁。通过适当选择绒毛长度，角度，密度和直径，可以使绒毛持续具有非常粗糙得表面。为了避免绒毛缠结，他
14、们需要有足够的刚性并且分散的同时仍然很密集，足以提供足够的粘着力。经过一系列的碰撞，即使具有一个柔软的底面，也很难在一个非光滑表面坚持，如图7a所示。这是一个必要条件（1） ：粗糙表面的相容性。通过使绒毛具有非常高的长宽比和非常薄的厚度，他们能够在被压在地表面时。适应和粘住粗糙的表面时。，要具有高纵横比和薄毛的问题是，绒毛很可能坚持自身的基板，成为非常粗糙和紊乱的绒毛，（必要条件2 ：未抛光约束）。第三个条件是可取的，就是绒毛是自我清洁整理。自动清洗整理的条件是未来的工作。图7 ： 1 ）阵列纳米凸点 。2）阵列纳米绒毛。31 假设 我们假设一个刚毛末端具有一个相对于普通表面且与绒毛方向无关的
15、恒定粘着力F= 200nN，这个在刚毛末端的力对应于球型匙突。我们假设干库仑摩擦与摩擦系数为，因此如果切应力大于(Fo - Fn) 则匙突会滑动，其中Fn为使匙突从表面分离的正常力。我们假定准静态条件（忽视的加速和动力学特性），那么Ft (Fo - Fn) 4。图8 ：单悬臂梁与匙突底面3.2 未抛光的条件为了防止壁虎绒毛互相粘住，他们必须有足够大间隔和硬度。我们假设绒毛之间的粘附力等于绒毛对表面的粘附力。我们还假设粘着力与柄的粗细相对独立，因为实际的接触半径在柄的末端将难以控制。假设在一个简单悬臂梁的末端加一个力Fo，Fo是在匙突的粘着力（ 200nN ），如图8所示。首先，我们确保柄有足够厚可以延长柄，这个厚度并不需要加以考虑。令长度和半径分别为L和R。选择合适的l，r，使伸展刚度KX是远大于侧向刚度ky。对于一个圆柱式的悬臂梁，设弹性模量为Ep，转动惯量I= r4=4，位移为y，沿着X轴刚度kx的计算如下：如果要获得比例为100:1刚度，我们设l 9r，第二，要获得100:1比例的刚度，我们设l 9r， 我们必须要使柄和匙突之间有足够的空间，可以将他们分离，让其与另一表面牢牢粘附，还不如相互粘着。如图8所示，柄的分离距离为，力Fo必须小于ky =2。现给单一的匙突一个粘附力，弹
