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灵长类指纹为灵感    兴大材料系薛涵宇开发新颖仿生材料

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2021/01/29

【大成报记者萧宇廷/台中报导】从灵长类的指纹获得灵感,中兴大学材料系助理教授薛涵宇投入4年时间,开发出新颖的湿式释放诱导皱褶生成技术,可制成具同心圆皱褶排整的仿指纹涂层。该材料应用于干式黏著具有可重复使用、表面自清洁、柔软、耐用与全角度黏著等特性;未来可应用在仿生皮肤、干式黏著元件与抗菌/抗藻涂层等,具高度应用潜力,并于日前荣获兴大怀璧奖肯定。
兴大指出,目前学界针对智能机器人皮肤科学的研究,多半集中在电信号传递或是环境应答等类神经网络研究,就仿生皮肤表面结构对物性的影响著墨甚少。薛涵宇的研究主要在于,以独创的湿式释放制程去模仿并制备仿指纹的排列,进而探讨不同皱褶排整对表面摩擦力的影响。独特创新的研究成果为仿生材料开发,揭示了崭新的方向。
薛涵宇表示,开发灵感源自于天冷戴手套拿取苹果时,发现手套上平行排列的橡胶止滑条,虽有助于纵向的止滑,但却无法横向止滑;反观灵长类独有的指纹结构,多半会呈现同心圆状,这有助于全角度的摩擦力表现,让灵长类的手指更能适应不同的环境与施力需求。此外,抓取时,指纹可预留多余的皮肤表面积,以应付抓握时产生的型变,避免抓握时产生过大的局部应力累积,导致皮肤拉扯破裂;同时指尖的皱褶结构亦可帮助表面排水,有助于水中抓捞物品、以及攀爬湿滑表面。
他透露,现阶段制备微米级表面沟槽结构的方法很多,如微机电制程,但多半需要昂贵的高真空环境与设备,相对耗时且无法制备大范围皱褶型态,不利于工业化应用。此外,用微机电制程所得到的沟槽,其沟槽形貌为长方体,尖锐的边角容易在多次使用下变形毁损。
而其所开发的制程,可得到如波浪般圆润且低深宽比的皱褶型态,可承受多次使用而不易毁损;更重要的,自发生成类同心圆的回字形皱褶排整,与灵长类指纹相似,这是其他制程很难得到的表面型态。实验结果也证明,回字形皱褶排整的确有助于表面黏著特性的增强,具备全角度的黏著行为而无死角。该研究已刊登于美国化学学会应用材料与界面期刊(ACS Applied Materials & Interfaces),并获选为当期补充封面故事。
而透过这套制程,团队已开发出高分子材料组成的皱褶表面、多孔皱褶陶瓷表面、超疏水皱褶表面等各种新颖仿生材料。多孔皱褶陶瓷因具有亲水性及较佳的环境抗性,可实际运用于细胞排整、微流控芯片、胎纹排水、防眩光结构和光电元件;超疏水皱褶表面,具防污与自清洁等功用,可运用于抗菌涂层、水中抗藻与金属防蚀。
论文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c04286