微型機械手仿生大壁虎足趾剛毛

 
2017/06/29 賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
仿生大壁虎足趾剛毛的微型機械手可自潔和超強黏附(繪製者:王美乃)。 蓋勾亞守宮(Rhaoodactylus auriculatus)與大壁虎同科,趾腹也有剛毛(圖片來源:林士傑)。
  • 仿生大壁虎足趾剛毛的微型機械手可自潔和超強黏附(繪製者:王美乃)。
  • 蓋勾亞守宮(Rhaoodactylus auriculatus)與大壁虎同科,趾腹也有剛毛(圖片來源:林士傑)。
 

美國與中國的科學家組成跨國團隊,研究大壁虎(Gekko gecko)足趾腹面剛毛(setae)的顯微構造、運動方式、黏附和自潔機制,發明仿生微型機械手(micromanipulator),具有超強黏附和自我清潔能力,不僅可執行微米尺度的自由操控,輕易達成從各種類型表面挑取微粒、移動、放入特定位置或容器,或是在產品製程中排組複雜圖案等精確組裝動作,還能根據需求設計製造特定形狀微球表面,並具再回收再利用特性。除可作為螺絲釘、膠帶、磁帶、繃帶等智能和防污表面外,還能開發攀爬機器人、微/奈米組裝、水中細胞操作技術、生物醫學裝置、和微機電系統裝置等,廣泛應用於能源、航空、化工、機械製造等領域,有發展為強大顯微操作工具的潛力。研究結果由北德克薩斯大學(University of North Texas)夏振海(Zhenhai Xia)教授和丹佛大學(University of Denver)、阿克隆大學(The University of Akron)、凱斯西儲大學(Case Western Reserve University)、北京中國石油大學、北京清華大學、陝西西北工業大學於2015年11月共同發表在《自然通訊》(Nature Communications)期刊。

 

大壁虎俗稱大守宮、蛤蚧、蛤蟹、仙蟾等,主要分布於亞洲東南部和南部,為棲息在岩洞或樹洞的夜行性動物,以昆蟲和其他小型動物為食。體長(吻肛長)約20-30公分,屬於爬蟲綱(Reptilia)有鱗目(Squamata)壁虎科(Gekkonidae)。前、後足共4隻,每隻足具5個足趾,趾腹具有10幾道排列整齊的脊狀皮瓣皺摺,成排長著稱為剛毛(setae)的角質毛(keratinous hairs),每隻足掌面積約227平方公釐(mm2),含有約50至數百萬根剛毛,排列密度為每平方公釐約14,400根剛毛,剛毛長約110微米(µm=10-6m)、直徑5微米,為人類頭髮直徑的十分之一左右;每根剛毛末端再分叉成100-1,000根刮勺狀構造的匙突(spatulae),長、寬均約200奈米(nm=10-9m)、厚約10奈米,頂端的匙突墊(spatula pad)直接與物體表面接觸,底部則與剛毛連接。

 

大壁虎能在牆壁等垂直壁面來去自如,倒掛停留在天花板上不會掉落,原理係利用剛毛結構增強凡得瓦力(van der Waals forces),具有能支撐自身體重好幾倍的黏附力。研究團隊測試單根剛毛的黏附力約20微牛頓(µN=10−6N,1牛頓是使質量1公斤物體的加速度達每平方秒1公尺時所需的力量),可支撐一隻螞蟻體重,因此100萬根剛毛就能產生20牛頓的黏附力、支撐20公斤重量,而大壁虎體重只有幾十到100多公克,自身重力約3牛頓,故能無視地心引力,僅靠單足即可牢牢黏附。他們另外測試單根剛毛在不同表面的脫附力與分離速度,發現剛毛與物體表面接觸時,先施加15微牛頓的垂直力,使剛毛沿表面滑動約5微米,就會產生高達200微牛頓的剪切力量,並依然保持黏附。

 

由於大壁虎步行時的離地動作是先將足趾尖朝外翻,再將足掌外翻離開,因此能使足趾腹面剛毛與物體表面瞬間迅速分離。只要彎曲足趾就可變化剛毛的匙突和匙突墊間的夾角,形成黏附或分離,當夾角小於30度時會增強黏附力和摩擦力;當反向彎曲至近90度時,即可在十幾毫秒(ms=10-3s)內離開。此外,匙突墊的幾何形狀也是能快速離開接觸表面的因素之一,滴水試驗也證實濕度不會影響剛毛的黏附力。

 

研究團隊首度發現大壁虎的動態自潔機制,其可藉著足趾尖外翻時產生的瞬間分離速度和剪切速度會使塵垢脫落,四足運動時隨時自動高效率自我清潔,保持足趾乾淨,以具有最佳黏附力。他們以保麗龍(聚苯乙烯)、二氧化矽、氧化鋁三種材質製造平均直徑10微米的塵垢微球,散佈在玻璃、石英玻璃、雲母、藍寶石、保麗龍、鐵氟龍等表面上測試,結果發現塵垢微球以每秒約1,000-10,000 微米(μm/s)速度從剛毛的匙突墊甩落;增加分離速度和剪切速度會增強匙突黏附力。

 

因此研究團隊模仿大壁虎足趾剛毛結構,將直徑10微米、長度140微米的玻璃纖維,一端黏在原子力顯微鏡的懸臂頂端固定,以聚焦離子束(FIB)將另一端切割成匙狀,製成人造剛毛進行實驗及建模;再將一端有切割墊、直徑10微米、長度150微米的聚酯纖維黏在原子力顯微鏡的懸臂頂端固定,把單層石墨烯以環氧樹脂黏到切割墊上緩慢固化,重覆三次逐層黏合成厚5奈米、具三層石墨烯匙突墊的單根仿生微型機械手,甚至比天然剛毛具有更強的黏附能力和自潔功能。在小於每秒1微米的低分離速度和1.3微牛頓的相對高預負載條件時,塵垢微球的分離率為0-40%,但在約每秒1,000微米的垂直分離速度和約0.4微牛頓的低預負載時,分離率會迅速上升達約80%;當分離速度較低時,微型機械手可拾取微球,達高分離速度時即放下微球,因此調整分離速度就能夠控制動作,並能將直徑1-20微米的微尺寸微粒排列和精確組裝成特定圖案。

 

仿生微型機械手的耐久性測試則顯示,在1赫茲(Hz,每秒的週期運動次數)頻率和1微牛頓預載荷時,重複十萬次在玻璃基板進行黏附和脫落動作,功能仍然正常。石墨烯層還可顯著增強黏附能力、表面順應性、和接觸面積,產生可逆和可調整的黏附性,作為乾燥和潮濕環境下的各種應用。即使石墨烯匙突墊發生損壞,可再黏貼新的石墨烯層修復使用,因此未來將可廣泛應用。

 

(以上新聞編譯自2015年11月20日發行之Nature Communications期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
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  • 來源:Xu, Q., Y. Wan, T. S. Hu, T. X. Liu, D. Tao, P. H. Niewiarowski, Y. Tian, Y. Liu, L. Dai, Y. Yang, and Z. Xia. 2015. Robust self-cleaning and micromanipulation capabilities of gecko spatulae and their bio-mimics. Nature Communications, 2015(6): 8949-1-9 (+ 21 pp. Supplementary Information).
     
  • 延伸閱讀:
     
    • Autumn, K., Y. A. Llang, S. T. Hsieh, W. Zesch, W. P. Chan, T. W. Kenny, R. Fearing, and R. J. Full. 2000. Adhesive force of a single gecko foot-hair. Nature, 405 (6787): 681-685.
    • Hansen, W. R. and K. Autumn. 2005. Evidence for self-cleaning in gecko setae. PNAS (Proceedings of National Academy of Sciences), 102(2): 385-389.
    • Sealy, C. 2016. Self-cleaning gecko feet inspire micromanipulator. Materials Today / Biomaterials / News, February 26, 2016.
     
 
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