一种高度几何仿生刚毛阵列，它是由硅橡胶、聚氨酯、硅橡胶-聚氨酯共聚物或者硅橡胶或聚氨酯与含有Si-H、烯基、胺基、羧基有机物形成的共聚物构成的、聚合物基体表面具有直径为50nm-10μm、长5-100μm刚毛和刚毛间距﹤2μm的仿生刚毛阵列。本发明专利技术的高度几何仿生刚毛阵列有高度的粘附性能，粘附性能处于0.3-32mN/mm2之间，可用于机器人、蜘蛛人等的粘附性脚掌（手掌）。将该阵列固定于机器人的脚掌上，依靠刚毛阵列与接触面之间的粘附力，可支撑一定重量的机器人在墙面或天花板表面行走。本发明专利技术公开了其制法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及刚毛微阵列及其制法和在制备粘附性脚掌中的应用。
技术介绍
非结构环境下的机器人具有广泛而迫切的需求。其中以3维空间无障碍运动机器人(Three Dimensional Obstacle-Free Robot,简称TDOF机器人)技术难度最大，科技含量最高。国内外已经对这类机器人进行了大量的研究。现已研制出的TDOF机器人在运动的稳定性、灵活性、健壮性等方面还远远落后于动物，改善附着方式、提高粘附力已成为研制TDOF机器人所面临的一大难题。为使TDOF机器人可以在不同环境下和各类表面上都能实现稳定的附着，人类把眼光投向了大自然。许多动物，例如壁虎、苍蝇、蜘蛛等都具有在各种表面自如运动的超凡能力，其中大壁虎(Gecko)以独特的运动能力，和能够满足作为军事侦查和狭窄环境检测所需要的基本条件(例如20秒内可爬高10层楼；可负重能力远大于现有通信(10g，有效距离5km)、视觉传感器(15g，30万像素)和电源(40 50g)设备的重量总和)而备受青睐。借助于现代物理仪器，科学家们深入研究了这些动物的脚掌结构，原来它们的脚掌是由很多长而易变形的刚毛组成，每个刚毛具有很好的顺应性，刚毛与接触面之间产生了众多的微接触，粘附力就来自刚毛与接触面之间的微接触。2001年Autumn等人在Nature、PNAS等刊物撰文，指出这种粘附力是两种物质之间的范德华力(范德华力是中性分子彼此距离非常近时产生的一种分子间的微弱静电引力)。壁虎正是依靠其脚掌与接触面之间的范德华力而具有“飞檐走壁”的能力。因此，研制仿壁虎刚毛阵列对实现TDOF 机器人的3D无障碍运动有着十分重要的意义。近年来，化学、物理、微机械加工等技术的迅速发展推动了微纳米粘附阵列的研制。多种制备技术如微纳模注塑法、反应性等离子体刻蚀法、静电诱导刻蚀法、自组织结构孔模板浇注法等被利用制作人工刚毛阵列。德国马普研究所Gorb等人用硅橡胶(PDMS)模压了高0.4mm，剖面为0.25X0.125 mm的刚毛阵列，在预负载150 400mN下，产生60mN 的粘附力，单根刚毛粘附力为0.56mN。英国的曼切斯特大学的Geim采用氧等离子刻蚀制备的聚酰亚胺(PI)刚毛阵列，粘着性能达到30mN/mm2。美国斯坦福的Sitti等人和麻省理工的研究人员分别采用铸模法制备的4 μ m的柱状刚毛阵列。美国伯克利大学的Majidi用覆膜法制备了高摩擦系数的聚丙烯(PP)刚毛阵列。美国卡耐基-梅隆大学研制的用于爬壁机器人脚掌的聚氨酯(PU)刚毛阵列，可以在70°的墙面爬行，被美国自然科学基金会评为Highlight成果。美国的Ge和Dhinojwala课题组合作研制了碳纳米管(CNT)仿壁虎刚毛阵列，它在光滑表面上的滑动摩擦力相当于壁虎与接触面间的剪切力的2倍，但局限于碳纳米管强的机械性能，刚毛阵列并没能在天花板/墙壁上实现稳定粘附。国内许多研究小组也在关注刚毛阵列的研制工作。如中国科技大学的朱平平课题组详细研究了刚毛阵列的制备方法冲科院合肥智能机械研究所的梅涛课题组利用多孔氧化铝模板制备了微米级仿壁虎刚毛阵列，并研究了它们与接触面间的粘附力。多种表面能不同的高分子材料如聚酰亚胺(PI)、聚氨酯(PU)、硅橡胶(PDMS)、 碳纳米管(CNT)等被先后选用为刚毛材料。比较可得聚氨酯阵列的弹性模量可调性最强，粘弹性好，粘附强度适中；硅橡胶阵列加工工艺相对简单，机械性能适中，需要的预负载小，但产生的粘附力相对小；纳米管阵列的材料弹性模量大，粘附性能强，但需要的预负载大，且脱附比较困难。依据壁虎脚掌刚毛粘附力产生的机理，刚毛的形状对粘附力具有重要的影响。研究表明(1)高密度的人工刚毛阵列具有大的相互接触面积，是产生大粘附力的必要条件。(2)刚毛末端的庞大结构等效于增加接触面积，从而优化粘附性能。(3)倾斜的人工刚毛可调控机械性能，进而调控刚毛粘附性能。(4)末端分级的多层结构可以满足阵列对不同材质表面的适应能力。目前，仿生刚毛阵列的研制还存在一些问题，集中表现在以下几个方面(1)现有的研制方法和技术还不能够制造出超精细仿生刚毛，其粘附力也远远低于活体刚毛的粘附力；(2)制造脚底刚毛的分支结构还存在很大困难，现已研制出的人造刚毛与活体刚毛的真实结构向去甚远，还没获得像活体刚毛一样的倾斜结构和末端膨大结构，而这些微结构是构成壁虎脚掌的重要组成部分；(3)仿生刚毛的密度远低于活体脚掌刚毛的密度，同时刚毛间的自粘附现象又成了国内外仿生刚毛研制的新困惑。 仿生刚毛阵列的巨大应用前景敦促科研人员改进现有的制备技术。在现有的制备技术中，铸模法被认为是最成熟、有效的制备方法。其技术要领是利用光刻技术在单晶硅、 砷化镓等基底上刻蚀出一定深度的阵列孔，然后将高分子流体材料浇铸于其内，经硫化、脱模后，得高分子刚毛阵列。但是，单纯地依靠光刻技术只能得到规则的柱状孔阵列，与真实刚毛的形态相差甚远。美国专利US7229685B2，US0005454A1, US0124312A1涉及壁虎脚底的刚毛结构可用于蜘蛛人的粘附性脚掌。美国专利US7632417B2，台湾专利W02008076390提出用阴型模板浇铸仿壁虎刚毛。美国专利US7175723B2，US7294397, US7132161, US7579077, US0071870，欧洲专利EP2172527涉及由纳米结构的纤维或阵列制作粘附性材料。美国专利US6872439B2，US7560817B2, US7709087B2涉及粘附性的多级结构微阵列。美国专利 US7618937B2专利涉及多巴胺制备的粘附性微阵列。美国专利US7732539涉及由丙烯酸共聚体制备的粘附性微阵列。美国专利US6361861B2涉及由碳纳米管制备的粘附性微阵列。 中国专利20041001999. 8和201010046502. χ涉及由氧化铝模板浇铸的粘附性微阵列。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高度几何仿生的刚毛阵列及其制备方法，以及将之用于机器人的粘附性脚掌。本专利技术的技术方案如下一种高度几何仿生刚毛阵列，它是由硅橡胶、聚氨酯、硅橡胶_聚氨酯共聚物或者硅橡胶或聚氨酯与含有Si-H、烯基、胺基、羧基有机物形成的共聚物构成的、聚合物基体表面具有直径为50nm-10 μ m、长5-100 μ m刚毛和刚毛间距< 2 μ m的仿生刚毛阵列。上述的仿生刚毛阵列，所述的刚毛与聚合物基体表面的夹角可以在20-90°任选。上述的仿生刚毛阵列，所述的刚毛的末端可以有膨大结构或分支结构。上述的仿生刚毛阵列，所述的硅橡胶可以是加成型硅橡胶或缩合型硅橡胶。上述的仿生刚毛阵列，所述的硅橡胶或聚氨酯与其它功能有机物的共聚物可以是硅橡胶-聚乙二醇共聚物、聚氨酯_多巴胺共聚物或聚氨酯_没食子酸共聚物。一种制备上述高度几何仿生刚毛阵列的方法，它是以电化学刻蚀的阴型多孔硅为模板，经真空浇注高分子预聚体，固化预聚体，除去单晶硅层(脱模)而成，具体包括下列步骤1.阴型多孔硅模板的制备步骤1. 1.将电导率为0.0广100(^、晶相为(1，0，0)、(1，1，1)或(3，2，2)晶相的单晶硅片清洗，除去表面杂质及有机残留物和氧化层后，以其为阳极，Pt为阴极，以体积比为 1 4的质量百本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种高度几何仿生刚毛阵列，其特征是：它是由硅橡胶、聚氨酯、硅橡胶－聚氨酯共聚物或者硅橡胶或聚氨酯与含有Ｓｉ－Ｈ、烯基、胺基、羧基有机物形成的共聚物构成的、聚合物基体表面具有直径为５０ｎｍ－１０μｍ、长５－１００μｍ刚毛和刚毛间距﹤２μｍ的仿生刚毛阵列。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郭东杰，李佳波，张昊，谭华，戴振东，吴连伟，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84
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