可磁場調(diào)控的三維自組裝結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用*

張 聰，李 瑞，張亞超，陳 超

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026；2.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

自然界各種動(dòng)植物經(jīng)過億萬年的進(jìn)化演變和自然選擇，進(jìn)化出了各種各樣宏觀／微觀結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)各種獨(dú)特功能，以更好適應(yīng)外界環(huán)境。例如，在宏觀層面，植物種子外緣演化出不同三維形貌，可以在下降中飛行更穩(wěn)定，大大增加種子的散布距離［1，2］；鞘翅類昆蟲在飛行時(shí)打開鞘翅伸出折疊在鞘翅內(nèi)的翅膀，而爬行時(shí)很好地將薄薄的翅膀保護(hù)在鞘翅內(nèi)部避免破壞［3］。微觀層面，植物葉片氣孔在水分充足時(shí)打開，促進(jìn)根系吸收無機(jī)鹽，在干旱時(shí)關(guān)閉，保持植物體內(nèi)水分［4］；變色龍通過調(diào)節(jié)虹細(xì)胞內(nèi)納米晶體間距，將外界光線折射為不同顏色，更好地進(jìn)行光學(xué)偽裝，幫助它們在生存競爭中取得優(yōu)勢［5］。受這些生物體上可調(diào)諧的三維結(jié)構(gòu)啟發(fā)，人們通過各種微納加工手段構(gòu)筑三維宏觀／微觀結(jié)構(gòu)，來達(dá)到或超越自然結(jié)構(gòu)的性能，應(yīng)用于生物電子［6，7］、人工肌肉［8，9］、機(jī)器人［10，11］等領(lǐng)域。然而隨著三維結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和功能多樣化提高，傳統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)成型及調(diào)諧手段越來越難以滿足需求。

通過壓縮屈曲二維平面薄膜，使其自組裝為三維結(jié)構(gòu)的方法，因其適用于宏觀及微觀尺度、高并行、適用于多材料復(fù)合、與發(fā)達(dá)二維半導(dǎo)體制版工藝兼容等優(yōu)勢，在近10年得到長足發(fā)展［12］，并發(fā)展出利用光熱響應(yīng)材料［13］、形狀記憶材料［14］等手段來對機(jī)械誘導(dǎo)自組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)一步調(diào)諧的方法。但上述方法響應(yīng)速度極慢，且對周圍環(huán)境造成熱影響。磁場調(diào)諧辦法具有非接觸式、響應(yīng)快速等優(yōu)勢，在機(jī)器人及仿生等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用［15，16］。

本文利用飛秒激光圖案化二維結(jié)構(gòu)，利用紫外光刻在二維結(jié)構(gòu)特定區(qū)域加工磁性層，并粘貼至預(yù)拉伸硅膠膜基底上，通過機(jī)械力誘導(dǎo)壓縮屈曲為三維結(jié)構(gòu)。此類二維圖案化結(jié)構(gòu)自組裝成三維結(jié)構(gòu)過程可被有限元分析精確模擬，提供了一種高效的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略。通過規(guī)定激光掃描路徑可實(shí)現(xiàn)任意圖案化二維結(jié)構(gòu)加工；通過向紫外光刻系統(tǒng)數(shù)字微鏡器件（digital micromirror device，DMD）載入二值化圖片可實(shí)現(xiàn)任意二維形狀磁性層加工；通過控制硅膠膜基底預(yù)拉伸量可實(shí)現(xiàn)不同程度的組裝效果，上述3 種加工手段結(jié)合，可靈活高效的制備多種形貌三維磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)。最后，通過實(shí)驗(yàn)展示該方法所制造三維磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)在仿生機(jī)器人部件方面的應(yīng)用，以及其在仿生、功能性柔性器件等領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。

1 加工系統(tǒng)與加工參數(shù)

加工系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 加工系統(tǒng)示意

1.1 加工系統(tǒng)原理

1.1.1 飛秒激光加工系統(tǒng)

飛秒激光加工系統(tǒng)主要包括飛秒激光光源、光路、掃描振鏡。其中飛秒激光光源主要由兩部分組成：鈦（Ti）寶石振蕩器（Chameleon VISION-S，Coherent），啁啾脈沖放大系統(tǒng)（Legend Elite F HE-1K，Coherent）。自鎖模鈦寶石振蕩器生成飛秒激光器種子光后通過啁啾脈沖放大系統(tǒng)將展寬后的種子光轉(zhuǎn)換為輸出脈沖寬度為104fs，重復(fù)頻率為1 kHz，中心波長800 nm，單脈沖激光能量在0～4.5 mJ間連續(xù)可調(diào)的線偏振光。

光路如圖1（a）所示，光束由反射鏡反射，通過4f 系統(tǒng)擴(kuò)束，經(jīng)半波片、格蘭泰勒棱鏡、電子光閘進(jìn)入掃描振鏡。旋轉(zhuǎn)半波片可以改變與線偏光偏振方向間夾角，可以調(diào)節(jié)光束能量。電子光閘通過遙控器或電腦串口控制，從而控制光路的通斷。

掃描振鏡（hurry SCAN Ⅱ10，SCANLAB）主要由模擬電壓控制的傾斜（pitch）、偏航（yaw）軸掃描鏡、用于光束聚焦在一平面上的場鏡組成。其工作原理是計(jì)算機(jī)軟件將坐標(biāo)值的數(shù)字量通過數(shù)／模轉(zhuǎn)換器（digital-to-analog converter，DAC）轉(zhuǎn)換為控制兩軸偏轉(zhuǎn)的電壓量，將入射到掃描鏡上的光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，再經(jīng)過場鏡聚焦后在x-y平面上掃描。本文研究使用焦距為63 mm 的消色差場鏡，聚焦光斑直徑隨光束能量從10 至40 μm變化，有效掃描區(qū)域?yàn)榕c場鏡同軸的直徑為45 mm的圓形區(qū)域。主要利用飛秒激光系統(tǒng)掃描切割圖案化二維基底，并可達(dá)到百微米級特征分辨率。

1.1.2 紫外光刻系統(tǒng)

紫外光刻系統(tǒng)主要由光源（Series 1500，OmniCure）、DMD（DLPC900，Texas Instruments）、透鏡組、三軸定位平臺（X-LSM100A，Zaber）組成。光源產(chǎn)生320 nm 紫外光束，功率0%～100%最大功率可調(diào)，經(jīng)第1 個(gè)凸透鏡轉(zhuǎn)換為近似平行光后斜入射到DMD面板上。DMD面板根據(jù)上位機(jī)軟件載入的二值化圖片產(chǎn)生圖形化光場，經(jīng)凸透鏡聚焦后進(jìn)入物鏡入瞳，光束經(jīng)過物鏡出瞳后在焦點(diǎn)平面上形成最大尺寸為3 mm×6 mm的矩形光場。三軸定位平臺由3 根直線模組兩兩正交安裝構(gòu)成，X、Y 兩軸主要負(fù)責(zé)將圖案化光場對準(zhǔn)要曝光區(qū)域，Z軸主要帶動(dòng)樣品上下移動(dòng)進(jìn)行對焦，其研磨級絲桿和閉環(huán)位置反饋可以保證0.5 μm 的定位精度，滿足本課題對準(zhǔn)曝光的要求，實(shí)現(xiàn)對磁性層的精準(zhǔn)定義。

1.2 材料與加工參數(shù)

這里選擇厚度為60 μm 聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）膠帶為結(jié)構(gòu)主體材料，利用飛秒激光加工系統(tǒng)切割為二維圖案，并用激光單次掃描除去錨點(diǎn)外膠層。此處掃描線間距及激光功率直接影響除膠的效果及效率，使用激光器重復(fù)頻率為1 kHz，掃描振鏡掃描速度為30 mm／s，則激光各燒蝕點(diǎn)間距為30 μm，如圖2（a）。為使各燒蝕點(diǎn)密接排布，達(dá)到除膠徹底的效果，研究燒蝕點(diǎn)直徑隨激光功率的變化，發(fā)現(xiàn)隨著激光功率從30 mW 增加到240 mW，燒蝕點(diǎn)直徑從23 μm增加到32 μm，并在210 mW 時(shí)燒蝕點(diǎn)直徑已超過30 μm，如圖2（b）。因此為了除膠徹底并保證不過多損壞PET基底，選用激光功率為200 mW。在除去錨點(diǎn)區(qū)域外膠層后，依此功率反復(fù)掃描二維結(jié)構(gòu)輪廓，在掃描30 次后可將PET膠帶完全切透，從而完成對PET 二維結(jié)構(gòu)的加工。加工四臂二維結(jié)構(gòu)效果如圖2（c）所示，其懸臂橫梁特征尺寸寬度約為160 μm。

圖2 加工工藝及關(guān)鍵參數(shù)

為了給飛秒激光圖案化二維結(jié)構(gòu)精確加工上磁性層，并保證足夠的磁響應(yīng)性，需要配制磁性光刻膠。如圖2（d）（各試劑瓶內(nèi)從左至右依次為光敏樹脂、釹鐵硼顆粒、磁性光刻膠），本文選擇平均粒徑為5 μm 未充磁釹鐵硼顆粒和紫外光敏樹脂以不同質(zhì)量比混合，來確定最佳質(zhì)量比。由圖2（e）可知，在固定曝光時(shí)間為3 s，紫外光源功率為50%最大功率時(shí)，隨釹鐵硼顆粒與光敏樹脂質(zhì)量比增加，磁性層厚度明顯下降，并在質(zhì)量比為2.5∶1 時(shí)磁性層變得松散，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。為了讓磁性層擁有足夠釹鐵硼顆粒來滿足磁響應(yīng)性并保證曝光后磁性層的穩(wěn)定性，最終確定質(zhì)量比為2∶1來配制磁性光刻膠。將光刻膠涂抹在四臂結(jié)構(gòu)4 個(gè)懸臂末端，并用紫外光刻系統(tǒng)生成與懸臂末端形狀尺寸一致的正方形光場，利用三維位移平臺將懸臂末端對準(zhǔn)聚焦光斑，向DMD下發(fā)指令即可曝光。在完成對一個(gè)懸臂磁性層定義后，通過上位機(jī)軟件控制三軸定位平臺帶動(dòng)樣品移動(dòng)，使光場聚焦區(qū)域?qū)?zhǔn)下一待曝光磁性層位置，完成對下一區(qū)域的磁性層定義。在完成4 個(gè)懸臂位置曝光后，放入無水乙醇中顯影即可完成單個(gè)結(jié)構(gòu)的磁性層定義。在定義其他結(jié)構(gòu)磁性層時(shí)，僅需要修改DMD 面板上加載圖片，即可生成其他幾何形狀的光場；通過改變?nèi)S定位平臺的運(yùn)動(dòng)距離可實(shí)現(xiàn)不同位置磁性層的定義，上述兩點(diǎn)決定了紫外光刻系統(tǒng)在定義磁性層方面的靈活性。

隨后利用錨點(diǎn)位置未去除的膠將定義好磁性層的二維結(jié)構(gòu)粘貼至預(yù)拉伸硅膠膜上，如圖2（g）。通過控制硅膠膜預(yù)拉伸量可靈活控制兩相對錨點(diǎn)間距離，以四臂結(jié)構(gòu)為例，以結(jié)構(gòu)組裝后高度來表征組裝程度，三維結(jié)構(gòu)高度隨錨點(diǎn)間距減小而增加，如圖2（h）。當(dāng)錨點(diǎn)間距為9 mm時(shí)，自組裝后四臂結(jié)構(gòu)如圖2（i）所示。確定好上述各參數(shù)并結(jié)合各工藝，可高效制備多種磁響應(yīng)三維結(jié)構(gòu)。

2 多結(jié)構(gòu)展示與仿生應(yīng)用

2.1 多種三維結(jié)構(gòu)展示與磁響應(yīng)特性

為了有效加工出三維結(jié)構(gòu)，本文利用有限元分析軟件ABAQUS對二維圖案化結(jié)構(gòu)先進(jìn)行線性屈曲分析，其仿真結(jié)果作為初始幾何擾動(dòng)添加至后屈曲分析，即可精準(zhǔn)預(yù)測二維結(jié)構(gòu)自組裝為三維結(jié)構(gòu)后的形貌［12］，此處本文定義PET材料的楊氏模量為3 GPa，泊松比為0.34。由圖3（a）可見各結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果與實(shí)際組裝后三維結(jié)構(gòu)可以很好地吻合，驗(yàn)證了該預(yù)測方法的有效性。

圖3 自組裝三維結(jié)構(gòu)磁響應(yīng)特性

在各結(jié)構(gòu)正上方放置一塊N極或S極豎直向下的一英寸立方的釹鐵硼磁鐵，其磁場在磁鐵對稱平面上分布如圖3（b）所示，沿磁鐵NS 極中軸線磁場強(qiáng)度測量結(jié)果如圖3（c）所示，可見在磁鐵中軸線上，磁場強(qiáng)度隨著離永磁體距離增加，磁場強(qiáng)度近似指數(shù)減小。各結(jié)構(gòu)置于該磁場100 mT處的變形情況如圖3（a）所示。隨后以四臂結(jié)構(gòu)為典型結(jié)構(gòu)置于不同強(qiáng)度磁場中，并用懸臂末端的位移量化其磁響應(yīng)特性，如圖3（d）所示，懸臂末端位移隨外界磁場強(qiáng)度增加而增加，并在130 mT 后基本達(dá)到最大位移3.6 mm。同樣，通過調(diào)節(jié)外界磁場強(qiáng)度，可靈活調(diào)控其他結(jié)構(gòu)變形?；谏鲜鲩_發(fā)結(jié)構(gòu)及磁響應(yīng)特性，可以將其應(yīng)用于仿生功能器件方面。

2.2 仿生抓手

由圖3（a）四臂結(jié)構(gòu)在磁場中形變的光學(xué)圖片可見，當(dāng)施加外部磁場后，4個(gè)懸臂向上彎曲并形成抓握動(dòng)作，將其倒置粘貼于豎向可移動(dòng)平板上，形成仿生抓手，以抓取小船為例驗(yàn)證其抓取性能。如圖4（a）所示，將四臂結(jié)構(gòu)豎直向下放置，將聚氨酯泡沫制作的小船放置于永磁體上方?？刂扑谋劢Y(jié)構(gòu)所粘貼平板下降，帶動(dòng)四臂結(jié)構(gòu)下降，因其距永磁體距離逐漸減小，四臂結(jié)構(gòu)所處位置磁場強(qiáng)度逐漸變大，4個(gè)懸臂彎曲程度逐漸加大，直到最底端抓住小船，同時(shí)底部4個(gè)支撐結(jié)構(gòu)可以吸收平板的過量位移，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。隨后控制平板上升，四臂結(jié)構(gòu)即可抓著小船上升，但此時(shí)四臂結(jié)構(gòu)距永磁體距離增大，所處位置磁場強(qiáng)度不斷減小，直至4個(gè)懸臂與小船間摩擦力小于小船自身重力，小船即被釋放。在四臂結(jié)構(gòu)捕獲小船后不同時(shí)刻小船高度及四臂結(jié)構(gòu)所處位置磁場強(qiáng)度變化如圖4（b）所示，四臂結(jié)構(gòu)在144.1 mT時(shí)抓住小船，在68.8 mT時(shí)釋放，最大可將小船抓至12.04 mm 的位置。此類柔性抓手相較于傳統(tǒng)氣動(dòng)抓手不需要額外氣源及復(fù)雜管線，結(jié)構(gòu)較為簡單。

圖4 四臂結(jié)構(gòu)用于小船抓取

2.3 仿生舌頭

自然界中變色龍發(fā)現(xiàn)獵物后，依靠自身顏色偽裝，并搖晃身體緩慢接近獵物，當(dāng)變色龍到達(dá)捕獲距離內(nèi)時(shí)，便迅速地彈出自己長長的舌頭，將獵物粘住卷到自己嘴里［17］。受變色龍利用舌頭捕獲昆蟲等獵物的啟發(fā)，結(jié)合圖3（a）第5個(gè)彈簧結(jié)構(gòu)施加磁場后所產(chǎn)生的巨大的形變量，將此彈簧結(jié)構(gòu)粘貼至折紙變色龍前端作為舌頭，如圖5（a）所示。為使此“舌頭”具有黏附物體的能力，在其磁性層表面覆蓋一層雙面膠。同時(shí)在永磁體表面覆蓋樹葉，將一塑料昆蟲置于磁鐵N極正中心位置。

圖5 彈簧結(jié)構(gòu)用于昆蟲捕獲

以“舌頭”末端磁性層為研究對象，其受力F近似可表示為

式中 d為“舌頭”的伸長量；l 為初始狀態(tài)磁性層距磁鐵表面的距離；x為“變色龍”勻速移動(dòng)過程中移動(dòng)距離，相對于d和l，x為一小位移。Fk（d）為“舌頭”多圈彈簧產(chǎn)生的彈力，由胡克定律，F(xiàn)k（d）隨d增加近似線性增加。FB（l-d-x）為磁性層所受磁力，由圖3（a）可知隨著離磁鐵距離減小，磁場強(qiáng)度近似指數(shù)增加，此磁力隨著d增加近似指數(shù)增加。磁性層運(yùn)動(dòng)中各種運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象均由其所受彈力和磁力競爭導(dǎo)致。

當(dāng)“變色龍”勻速接近永磁體時(shí)，其“舌頭”所處磁場強(qiáng)度不斷加大，“舌頭”伸長量不斷增加。而“舌頭”伸長量d增加時(shí)，F(xiàn)k線性增加，“舌頭”末端磁性層所受磁場強(qiáng)度也在進(jìn)一步加大，F(xiàn)B指數(shù)增加。當(dāng)FB＞Fk時(shí)，F(xiàn) ＞0，磁性層將加速向磁鐵運(yùn)動(dòng)，d進(jìn)一步增加，從而導(dǎo)致FB與Fk間差值進(jìn)一步擴(kuò)大，從而形成一個(gè)正向反饋，導(dǎo)致“舌頭”在伸長過程中出現(xiàn)末端磁性層的自加速現(xiàn)象，從而可以快速捕獲“獵物”，如圖5（a）00.00～13.30 s所示過程。在捕獲到“獵物”后，將“變色龍”勻速遠(yuǎn)離永磁體，此時(shí)因?yàn)榇判詫右呀佑|永磁體表面，F(xiàn)B不再變化。而伸長量d 在增加，當(dāng)FB＜Fk時(shí)，磁性層將遠(yuǎn)離磁鐵運(yùn)動(dòng)，伸長量d 減小，F(xiàn)k線性減小，而FB指數(shù)減小，導(dǎo)致二者差值F進(jìn)一步擴(kuò)大，此過程也是正反饋過程，導(dǎo)致“舌頭”加速縮短，從而可以將“獵物”快速收回，如圖5（a）13.30～15.46 s所示過程。

將彈簧結(jié)構(gòu)粘貼至一豎直高度可調(diào)的平板上，結(jié)構(gòu)正下方放置一永磁體，調(diào)節(jié)平板高度并利用高速相機(jī)拍攝“舌頭”的伸長及縮短過程，將磁性層距磁鐵距離與磁性層所受磁場強(qiáng)度隨著不同時(shí)刻變化繪制曲線如圖5（b）所示，0～25 ms為伸長過程，在25 ms 磁性層接觸永磁體瞬間達(dá)到峰值速度，為3.6 m／s。50～120 ms為縮短過程，在104 ms處達(dá)到峰值速度為1.9 m／s。

3 結(jié) 論

本文提出了一種飛秒激光圖案化二維結(jié)構(gòu)，紫外光刻選區(qū)定義磁響應(yīng)層，并利用機(jī)械力誘導(dǎo)自組裝為三維磁場調(diào)諧結(jié)構(gòu)的加工方法，該加工方法可快速成型多種三維結(jié)構(gòu)，具有很高的靈活性。結(jié)合有限元預(yù)測結(jié)構(gòu)變形策略高效加工多種三維磁響應(yīng)結(jié)構(gòu)，并利用不同強(qiáng)度的磁場調(diào)控三維結(jié)構(gòu)的形貌，展示了此類三維磁場調(diào)諧三維結(jié)構(gòu)的可逆非接觸形貌調(diào)諧。最后結(jié)合其在磁場中的變形特點(diǎn)，完成了物體抓取、捕獲等應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種磁響應(yīng)三維結(jié)構(gòu)在微小功能器件、柔性機(jī)器人等方面具有一定的應(yīng)用前景。