Природа нередко становится источником вдохновения для инженерной мысли. Одним из таких выдающихся биологических феноменов являются щетинки на лапках геккона – крошечные структуры, обеспечивающие уникальную способность рептилии прилипать к самым гладким поверхностям и столь же легко отрываться от них. Исследователи давно стремятся воспроизвести этот эффект в искусственных материалах, однако процесс часто оказывается чрезмерно сложным, трудоёмким и неустойчивым к промышленным требованиям.
Недавние достижения в области цифровой световой обработки (DLP) и фотополимерной 3D-печати открывают новые горизонты в создании функциональных анизотропных поверхностей. Подобной инновацией стало стратегическое использование сверхотверждения фотополимеров – процесса, ранее считавшегося побочным или нежелательным.
Природный прототип и инженерное вдохновение
Щетинки (сетэ) на лапках геккона обладают строго определённой ориентацией и иерархической структурой, благодаря чему обеспечивается высокое сцепление с поверхностью в одном направлении и лёгкое отрывание в другом. Такое поведение основано на анизотропии – направленной разнице в свойствах материала или структуры. Инженерная имитация этой особенности требует сложных микроструктур с градиентом жёсткости, ориентации и адгезии.
Вместо того чтобы вручную проектировать эти структуры на уровне микро- и нанослоя, исследователи предложили использовать эффект сверхотверждения – избытка энергии УФ-излучения, поглощаемой фотополимером за пределами основной зоны отверждения, – как конструктивный инструмент, создающий самоформирующиеся анизотропные структуры в изначально изотропной модели.
- Структура щетинок на лапе геккона
Детальное строение микроскопических щетинок на конечностях геккона, обеспечивающих его уникальную способность удерживаться на вертикальных поверхностях.
- Механизм прикрепления и открепления геккона
Физиологический процесс, позволяющий геккону надежно закрепляться на различных поверхностях и быстро отсоединяться от них без потери адгезивных свойств.
- Изготовление анизотропной структуры с использованием контроля сверхотверждения
Технологический процесс создания материалов с направленными свойствами путем управления процессом сверхкритического отверждения, обеспечивающего уникальные характеристики материала.
- Предлагаемая биомиметическая структура на основе сверхотверждения
Инновационное техническое решение, имитирующее природные механизмы геккона, реализованное с применением технологии сверхкритического отверждения для создания функциональных материалов.
Инновационный производственный процесс
| Образец | Продуктa | Вязкость (cP) | Олигомер (%) | Мономер (%) | Инициатор фотографии (%) | UV absorber (%) |
| A | CUKL89W | 300–400 | 20–40 | 40–60 | 0.1–10 | ~1 |
| B | КУКЛ22Ы | 650 | 30–60 | 10–30 | 0.1–10 | ~1 |
| C | 3DK83G | 110–130 | 30–60 | 10–30 | 0.1–10 | – |
Ключ к методу – в тонкой настройке фотохимических параметров DLP-печати. Используя фотополимерные смолы с заданным составом (Carima, таблица 1), свет с длиной волны 405 нм активирует фотоинициаторы, инициируя полимеризацию. Однако часть света проникает глубже, чем нужно, вызывая избыточное отверждение – этот эффект ранее рассматривался как дефект, снижающий точность модели.
Тем не менее, при контролируемом подходе переотверждение становится полезным. Оно формирует столбчатые анизотропные структуры за счёт неравномерного распределения УФ-энергии. Верхняя часть слоя, не ограниченная головкой принтера, дополнительно отвердевает, создавая уникальные микростолбы. Переотверждение становится направленным инструментом, а не случайной погрешностью.
Двойное литьё и функциональные поверхности
Следующим этапом становится превращение этих структур в функциональные мягкие приводы, напоминающие клеевые лапки геккона. Исходная мастер-форма с анизотропной структурой подвергается двойному литью с использованием эластомера PDMS. Полученные накладки – гибкие, но прочные, демонстрируют превосходные адгезионные характеристики. Более того, они могут быть повторно использованы после очистки, сохраняя прочность на уровне первоначальной.
Механика мягкого захвата
Для проверки гипотезы был разработан механический модуль, включающий серводвигатель, пружину, проволоку и пару клеевых накладок, установленных под углом. При активации модуль имитирует движение захвата, проходя три этапа: прижатие, захват и отрыв. Наклонные клеевые накладки продемонстрировали выраженную направленную адгезию, в отличие от плоских образцов, которые действовали одинаково в обоих направлениях.
Использование анизотропных клеевых структур позволило надёжно захватывать объекты разной формы и массы, а также контролировать силу отрыва, что особенно важно в биомедицинских и микроманипуляционных задачах.
Результаты моделирования и тестирования
Численные симуляции, выполненные в ANSYS 2023 и SolidWorks 2024, подтвердили, что модели с направленным переотверждением демонстрируют снижение локального напряжения по Мизесу и повышенную устойчивость к разрушению.
Реальные прототипы были напечатаны на DLP-принтере Flashforge Hunter с разрешением 50 мкм. Морфология поверхностей оценивалась с помощью оптической микроскопии и программного анализа ImageJ.
Потенциальные применения
Созданный метод имеет широкие перспективы:
- Мягкая робототехника – захват объектов без повреждений, включая биологические ткани.
- Биомедицинские устройства – имплантаты, адгезивные повязки, сенсоры с управляемой адгезией.
- Микроэлектроника – производство прецизионных структур для полупроводников и микросборки.
- Интеллектуальные поверхности – управление направлением потока в микрофлюидных системах, фильтрация, самоочищение.
Кроме того, методика может быть адаптирована к существующим протоколам DLP-печати без значительных аппаратных модификаций, что упрощает её промышленную интеграцию.
Преимущества и ограничения
Преимущества подхода включают:
- простоту реализации,
- снижение необходимости в сложной иерархической структуре,
- высокую повторяемость и стабильность,
- совместимость с существующими CAD-средствами и программным обеспечением.
Однако остаются и ограничения: требуется дальнейшее изучение широкого спектра смол, проверка на долговечность, устойчивость к загрязнению, а также испытания при переменных температурных и механических нагрузках.
Заключение
Переотверждение в DLP-печати – это не изъян, а стратегический ресурс, позволяющий создавать функциональные анизотропные структуры в духе природы, с точностью инженерной мысли. Данный метод демонстрирует, как тонкая игра света и полимера может вдохнуть жизнь в гибкие приводы и клеевые поверхности будущего.
