仿生微結構
關注創建者：南極熊3D打印 創建時間：2021-07-13
仿生微結構的實例教程
近日，上海交大機械與動力工程學院胡松濤副教授課題組設計并制備了具備機械強度的柔性超疏水仿生微結構，兼具抗液性與耐磨性，相關研究成果在機械裝備抗液防冰等領域具有重要的應用前景。該成果以“Biomimetic Water-Repelling Surfaces with Robustly Flexible Structures”為題發表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊。
現有的面向低溫沖擊液滴的超疏水界面工作遵循剛性和柔性兩類設計原則，可有效縮短固液接觸時間，但受限于苛刻的固液沖擊定位要求。研究團隊在之前工作中，借鑒跳蟲胸殼的蘑菇狀仿生結構來抵抗沖擊液滴，但將底部立柱狀剛性支撐替換為彈簧狀柔性支撐來調整結構的整體力學性能，形成了“類皮膚-肌肉”柔性超疏水界面微結構的設計思想。該結構被證實可消除界面潤濕性能對液滴沖擊定位的依賴，但受限于弱機械強度。因此，研究團隊改進了柔性微結構設計，形成了由剛性平板和柔性彈簧組所構成的大尺寸蘑菇狀超疏水仿生微結構。研究團隊采用面投影微立體光刻3D打印技術（nanoArch S140，摩方精密）高效、精準地實現了上述界面設計的樣機制備。
△界面設計與制備（蘑菇平板陣列，寬度2800μm，厚度100μm，間隔200μm；彈簧支柱：自由高度2000μm，中徑500μm，線徑90μm，線圈數8個）
柔性蘑菇狀超疏水仿生界面結構被證明可承受常規的法向擠壓和水平剪切行為；在實際摩擦行為中，較剛性結構有更好的耐磨性。
△界面機械強度
柔性蘑菇狀超疏水仿生界面結構被證實可以通過觸發結構振動來縮短固液接觸時間。
展開 生物材料盡管由性能并不突出的簡單組元在相對溫和的條件下組裝而成，但卻表現出優異的綜合力學性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復雜而巧妙的組織結構，特別是由此帶來的獨特的變形與斷裂機制和強韌化機理。
圖1 原使取向與受力之后微組織結構的再取向
中科院某科研團隊系統地闡明了天然生物材料梯度設計的形式、原則及其起到的作用與機制的基礎上，首次提出了新型材料組織結構取向梯度的概念與設計原則，建立了組織結構取向以及變形過程中發生的結構再取向與材料力學性能之間的系統定量關系，通過控制微觀組織結構取向實現材料的局域剛度、強度與韌性的優化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學性能。
圖2 材料通過微觀組織結構再取向實現綜合力學性能的全面同步提升
同時該課題組發現：材料在加載過程中發生的組織結構再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠為實現綜合力學性能的改善提供有效的途徑，如圖2所示。通過調整自身的組織結構與所受外力之間的取向關系，材料在拉伸條件下的剛度和強度逐步提高，同時裂紋擴展路徑逐漸偏離最大正應力方向，因而斷裂韌性得以同步增強；而在壓縮條件下，材料的力學穩定性與劈裂韌性也表現出同步增大的趨勢。因此，材料可以利用有限的變形實現其剛度、強度、穩定性與斷裂韌性的全面提升，而這些性能本身則往往體現出相互制約的關系。
(a) 復合結構在受到壓力之后逐漸偏離正應力方向；(b、c) 取向軸的角度偏離微觀、宏觀表述
圖3
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201705220
來源：材料前沿科技微信公眾號（ID：clqykj），作者：Mr.Five。
展開 仿生復合材料的制備及表征
圖1 蜻蜓翅膀的實物圖及仿生復合材料的制備表征分析
作者受到蜻蜓翅膀微結構的啟發，首先將MXene納米片包覆在剛性可修復的聚合物材料表面，而后通過熱壓定構加工的方式制備了仿生復合材料。光學顯微鏡和透射顯微鏡證明了復合材料內部的仿生微結構—形成了三維互聯的MXene骨架；XPS證明MXene骨架和聚合物直接存在強大的界面氫鍵相互作用，這也有助于提升復合材料整體的機械性能。
仿生復合材料的增強增韌性能
圖2 仿生復合材料的機械性能
三點彎曲實驗證實，在聚合物網絡中植入MXene互聯骨架，仿生復合材料的機械性能提到了顯著提升；與初始可修復聚合物材料相比，剛度提高了3.8倍，強度提高了25.0倍，應變提高了7.9倍；對比實驗證實，在聚合物基體中加入同等含量的烏龜分散的MXene納米片，其增強效果有限，遠低于具有仿生微結構的復合材料。
展開 近期，南方科技大學材料科學與工程系副教授郭傳飛課題組在仿生微結構柔性電子皮膚領域取得重要進展，研究成果發布在《Advanced Functional Materials》、《Small》、《Advanced Electronic Materials》等國際期刊上。
郭傳飛課題組的主要研究方向是基于薄膜材料的微納米加工方法、柔性透明電極的制備、納米結構薄膜的生長，以及這些材料在新型光電子學、生物醫學和納米能源領域的應用。
郭傳飛
觸覺是生物體表感受器受壓力或牽引力作用而引起的，它是生物體從外界環境獲得信息的重要手段之一。電子皮膚的研究具有重要意義。例如：穿戴假肢可以幫助肢體殘疾人士實現某些操作需求，但市場上的產品尚不具備觸覺功能，因此假肢也無法幫助他們實現感知。柔性觸覺傳感器（電子皮膚）是一種將觸覺信號轉換電信號的電子器件，在可穿戴電子設備、健康監測、運動監測、智能假肢、人機交互、以及人工智能等領域有著巨大的應用前景。研究已經證明微結構能有效提高柔性觸覺傳感器的性能，例如微金字塔、微柱結構、微球等已經被用于制備超靈敏的柔性觸覺傳感器。然而這些微結構通常通過傳統的光刻技術、化學刻蝕方法，制備過程復雜、耗時、價格昂貴。制備低成本、簡易、高性能的柔性觸覺傳感器成為當前的一大挑戰。
為了降低制備成本、提高器件傳感性能，郭傳飛課題組從荷葉的超疏水性來源于其表面的微納米結構中受到啟發，用自然材料作為模板來制備表面微結構。取大自然中的植物作為原始模板、復寫出植物表面的微結構并噴涂柔性銀納米線電極，構建電容型觸覺傳感器（Adv. Electron.
展開 近日，王立秋教授團隊通過將仿生學設計和微流控技術相結合，實現了 “剛柔并濟”的微型軟體驅動器。仿生設計原理結合了海參真皮和植物卷須的結構和功能特征，分別實現了“剛柔并濟”和可編程形變的獨立調控和協同設計，提高了軟體驅動器的整體性能。液滴微流控技術實現了微纖維型軟體驅動器的精確制備。
圖1. （a-c）仿生驅動器的設計靈感，分別結合了海參真皮（a）和植物卷須（b）的性能；（d）驅動器變形的示意圖；（e）微流控技術用于制備微型驅動器。（a）中海參照片作者為Fran?ois Michonneau，按照CC BY 3.0許可使用，（b）中植物卷須照片作者分別為W. Carter（上，CC0，維基共享資源）和Jon Sullivan（下，維基共享資源）。
該仿生軟體驅動器呈微纖維狀，內部嵌入有序排列的不對稱微顆粒條帶。微纖維由海藻酸鹽和硅藻土復合材料構成，海藻酸鹽對濕度變化進行響應，硅藻土用于增強海藻酸鹽水凝膠網絡。不對稱微顆粒材料為乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA），對濕度不響應。當環境濕度變化時，不對稱微顆粒兩側的微纖維產生不同程度的體積變化，從而發生形變。
驅動器在吸水和脫水狀態下呈現出極大的機械性能差異，其楊氏模量、最大應力、最大應變、剛度等性能變化程度高達20-850倍，實現了剛柔并濟的特性。因此，該驅動器可輸出優異的機械功，其做功的能量密度、驅動應變和驅動應力分別超過天然肌肉4倍、>2倍和>30倍，并實現了高達17000倍的舉重比（舉起的載荷與驅動器的質量比）。
圖2.
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授課時間
2026/5/19（二）-5/20（三）
AM 9:00-PM 16:00
授課地點
上海市嘉定區南翔銀翔路819號中暨大廈18樓1805室
課程講師
訊技光電工程團隊及資深顧問
課程費用
4800RMB/1人次
(課程包含課程材料費、開票稅金、午餐費)
課程簡介
摘要
在半導體工業中，晶片檢測系統被用來檢測晶片上的缺陷并找到它們的位置。為了確保微結構所需的圖像分辨率，檢測系統通常使用高NA物鏡，并且工作在UV波長范圍內。作為例子，我們建立了包括高NA聚焦和光與微結構相互作用的完整晶片檢測系統的模型，并演示了成像過程。
任務描述
微結構晶圓
通過在堆棧中定義適當形狀的表面和介質來模擬諸如在晶片上使用的周期性結構的柵格結構
簡介
建模結果與測量數據的比較對于任何光學元件的設計過程都非常重要。因此，有必要將測量到的高度剖面（例如微結構的高度剖面）導入建模軟件，以評估真實元件的性能。因此，在本文檔中，我們將展示如何使用位圖文件導入高度數據。
摘要
建模結果與測量數據的比較對于任何光學元件的設計過程都非常重要。因此，有必要將測量到的高度剖面（例如微結構的高度剖面）導入建模軟件，以評估真實元件的性能。因此，在本文檔中，我們將展示如何使用位圖文件導入高度數據。
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簡介
汽車照明行業在過去幾年中有了很大的發展，對復雜光學結構的需求需要先進的設計能力。Speos 3D Texture是一個獨特的功能，允許在給定的身體表面以圖案的形式設計和模擬微紋理。它的優點依賴于圖案(網格)的光學模擬模型，而不是使用實際的CAD幾何圖形。這樣就減少了計算時間和文件大小。
摘要
在半導體工業中，晶片檢測系統被用來檢測晶片上的缺陷并找到它們的位置。為了確保微結構所需的圖像分辨率，檢測系統通常使用高NA物鏡，并且工作在UV波長范圍內。作為例子，我們建立了包括高NA聚焦和光與微結構相互作用的完整晶片檢測系統的模型，并演示了成像過程。
任務描述
微結構晶圓
通過在堆棧中定義適當形狀的表面和介質來模擬諸如在晶片上使用的周期性結構的柵格結構
摘要
建模結果與測量數據的比較對于任何光學元件的設計過程都非常重要。因此，有必要將測量到的高度剖面（例如微結構的高度剖面）導入建模軟件，以評估真實元件的性能。因此，在本文檔中，我們將展示如何使用位圖文件導入高度數據。
簡介
步驟 1
- 使用Import功能將位圖圖像文件作為Data Array導入。
步驟 2
- 設置數據陣列的坐標、插值和外推法。
<p class="ql-align-justify">聲屏障，主要用于公路、高速公路、鐵路、高架、橋梁和其它噪聲源的隔聲降噪，是一種重要交通設施。道路工程中應用較廣泛的聲屏障有三種：直立式聲屏障、微弧式聲屏障和折板式聲屏障。</p><p class="ql-align-justify">聲屏障主要由支撐結構、吸聲板及連接構件組成。工程上多采用H型立柱作為支撐結構，以確保聲屏障具備良好的結構強度并便于安裝和維護
關鍵詞：微結構器件；禁帶效應；等離子體缺陷；開關調控；電磁波調制
光子晶體是一種介電常數呈周期變化的材料，通常通過調節介質材料與空氣或其他具有折射率差異材料間的周期排列結構，實現電磁波透射率在特定頻段下出現諧振現象，在當前的電磁調制器件開發中有著極為廣闊的應用前景。但受限于光子晶體器件調制功能較為單一、調制靈活性較低這一問題，本文通過在現有光子晶體中設置等離子體二維點缺陷，利用禁帶缺陷態效應，
使用ICEM對微結構網格進行劃分，購買案例贈送教程
