對于毫米尺度3D物體的操縱技術(shù)在電子轉(zhuǎn)印真正做到、精密裝配多種場景、微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有重要的應用前景。傳統(tǒng)的基于機械夾持的抓取方案（如鑷子等）需要針對不同特征的物體進行專門的設計和定制貢獻。例如規模最大，普通的尖頭鑷子難以夾持球體，需要在鑷子末端設計專門的環(huán)形結(jié)構(gòu)統籌，并且具有環(huán)形結(jié)構(gòu)的鑷子無法夾持直徑小于環(huán)形的球體最深厚的底氣。此外，對于平放在基底表面上的薄片狀脆性物體（如硅片等）來說振奮起來，因其無特殊的可夾持特征品質，使用鑷子等工具難以將其從基底表面夾持住。目前深入各系統，對于毫米尺度的不同形狀和尺寸的3D物體進行可控抓取操縱的通用性技術(shù)方案仍然面臨挑戰(zhàn)解決問題。

近日系列，清華大學機械工程系摩擦學國家重點實驗室的田煜教授課題組提出了一種毫米尺度的喇叭狀可控粘附結(jié)構(gòu)及其力學調(diào)控方法。喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)由面投影微立體光刻技術(shù)（nanoArch S130相互配合，摩方精密）和多步澆鑄的工藝方案制備而成空間載體，對于多種曲率表面具有良好的自適應接觸性能。喇叭狀可控粘附結(jié)構(gòu)能夠通過接觸界面的范德華力作用和負壓作用達到~80 kPa的粘附強度相對簡便，通過外力調(diào)控屈曲失穩(wěn)與基底表面主動脫附，從而實現(xiàn)對于多種三維物體的可控抓取和操縱流程。該項研究成果以“Trumpet-shaped controllable adhesive structure for manipulation of millimeter-sized objects"為題發(fā)表在國際知合作。名期刊《Smart Materials and Structures》上。該研究工作由清華大學機械工程系摩擦學國家重點實驗室的博士生李小松完成助力各業。

圖1 喇叭狀可控粘附結(jié)構(gòu)制備工藝流程圖極致用戶體驗。（a）由面投影微立體光刻技術(shù)直接制備得到的蘑菇狀結(jié)構(gòu)；（b）通過澆鑄得到陰模模具應用；（c）陰模模具澆鑄PU并脫泡建議；（d）將PDMS球面按壓模具得到凹面結(jié)構(gòu)；（e）脫模后的喇叭狀結(jié)構(gòu)（d_p = 1 mm, h = 1 mm, d_t = 1.8 mm, θ =60o）相貫通；（f）喇叭狀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片不斷發展。

圖2 喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)的粘附性能典型測試力曲線和對應的接觸狀態(tài)演化規(guī)律。（a）附著測試模式和（b）脫附測試模式對應的典型法向力測試曲線自動化方案；（c）附著測試模式和（d）脫附測試模式對應的接觸界面狀態(tài)演化過程緊密協作；（e）附著測試模式下喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)的粘附力和預載荷之間的關(guān)系；（f）脫附測試模式下喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)的粘附力和剪切距離的關(guān)系線上線下。

圖3 基于內(nèi)聚力模型的喇叭狀可控結(jié)構(gòu)的有限元仿真與界面法向應力演化規(guī)律機理發揮重要作用。（a）接觸-脫附測試過程；（b）接觸-卸載-剪切測試過程講道理；（c）接觸-卸載-扭轉(zhuǎn)過程中喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)的變形行為發展目標奮鬥；（d）附著測試過程和（e）脫附測試過程中接觸界面法向應力的演化規(guī)律，其中紫色的箭頭表示法向應力分布的變化方向更多的合作機會。

圖4 喇叭狀可控粘附結(jié)構(gòu)對不同大小延伸、不同形狀、不同質(zhì)量行業分類、不同材質(zhì)物體的操縱效果技術特點。（a）集成喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)的操作器；（b）喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)抓取發展邏輯、轉(zhuǎn)移和釋放物體的典型操作步驟凝聚力量；喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)用于轉(zhuǎn)移多種毫米尺度（c）平面物體和（d）曲面物體的展示；（e）喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)用于操縱LED燈珠完成THU字樣柔性電路裝配的展示聽得進；（f）喇叭狀粘附結(jié)構(gòu)用于水下環(huán)境操縱曲面物體的展示新的力量。