1、1项目名称： 微纳光机电系统的仿生设计与制造方法首席科学家： 梅涛 中国科学院合肥物质科学研究院起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部门： 中国科学院2二、预期目标1、总体目标本项目面向国民经济与国家安全领域对发展微纳光机电系统的重大需求，开展微纳光机电系统设计理论与制造方法研究，并运用仿生学原理为发展新型微纳光机电系统提供创新设计思路，以提升我国在微纳光机电系统方面的原始创新能力。通过本项研究将系 统地建立微纳结构光机电特性的尺度效应模型，为微纳光机电系统提供设计依据。并针对跨微纳尺度加工的按需制造与工艺兼容性难点，系 统地建立硅基微 纳结构制造工艺流程， 为实现微纳集成制造提供工
2、艺基础。最后，以 降噪微纳结构膜片、光 导航微纳器件和爬行机器人微 纳系统为对象，从结 构、器件和系统三个层次建立微纳光机电系 统的仿生设计与制造方法，并为减振降噪、自主导航和救援侦察等应用场合研制出新型微纳光机电系统实验样机。通 过本项目研究还 将带动一批国家和省部级重点实验室的建设，培养一批创新思维突出、专业能力 坚实的优秀中青年人才，有可能在国际上形成一支引领仿生微纳光机电系统研究的创新团队。2、五年预期目标预计经过五年的努力，将从理论方法、技 术实现到应用目标取得 2 3 项具有原创性的重要突破，使微 纳光机电系统研究进入新的发展阶段，在国际相关研究领域取得领先地位。五年 发表高水平论
3、文 200 篇，出版专著 2 部，申 请发明专利 30 项。在人才培养和队 伍建设方面，造就出一批具有国际水平的跨学科学术带头人，培养出博士 50 名、硕士 50 名。 并取得以下具体成果： 在实验研究、理论分析和计算机模拟的基础上发展一套精确表征微纳结构的分析方法，建立典型微纳结构形成、 组装和多场耦合响应的理论模型， 为微纳光机电系统优化设计和制造提供分析与仿真模拟工具 1 套。 揭示多种动物特殊体表的微纳结构对粘附与脱附、减振降噪和光导航功能的关系，发现和筛选出 46 种高性能微纳形态结构，为降噪微纳结构、光导航微纳器件、爬行机器人微纳系统的仿生设计与制造提供生物学基础。 发展 34 种
4、硅基微结构上纳米结构制造工艺流程，在硅片上实现微纳腔体结构、纳米光栅、微纳分叉柔性阵列等微纳功能结构的按需制造，为微纳光机电系统的结构制作提供工艺基础。3 以壁虎、昆虫等生物的感知、控制与爬行能力为模仿对象， 设计和制造出能够在天花板上倒立爬行的粘附爬行机器人系统实验样机。 以猫头鹰皮肤和覆羽的吸振降噪机理为模仿对象，发展硅基降噪微纳结构的设计与制造方法，制作出硅基降噪微纳结构膜片，吸振系数提高 20%。 以沙蚁、蜣螂、响尾蛇为模仿对象，研制出硅基光导航微纳器件样机，实现日光、月光导航和红外目标探测功能， 测角位置精度达到0.2 度， 红外探测分辨率优于 0.05K。4三、研究方案1、学术思路
5、 微纳光机电系统并不是简单地将普通的光机电系统缩小到微纳米尺寸就能够得到相应的性能，这时由于微纳尺度效应使许多原来对普通光机电系统没有太大影响的效应被凸显出来，甚至会占据主导地位，完全改变原有的特性，也可能带来特殊的新功能。因此，必须首先分析和了解力学、光学和 电学等各种效应与微纳结构尺度之间的关系，才能有针对性地进行微纳光机电系统设计。在尺度效应分析的基础对普通光机电系统进行微纳米化，是目前研制微纳光机电系统的主要思路，但是 这种方法难以突破传统的思维定势，更难超越已经领先的科技发达国家，因此必 须寻求产生跨越式创新的灵感，才能取得原始性创新成果，后来居上。仿生学正是为我们提供了这样的新机遇
6、。运用仿生学原理，借鉴生物组织中的微纳结构和各种光机电效应机理，以及生物在复杂环境中的感知、判断、捕食、伪装、规避和适应能力，能够为研制新型微纳光机电系统提供源源不断的创新思路。因此，需要深入研究生物组织微纳结构与生物的各种特殊功能之间的关系，这是“知其然 ”。同时，还要将这些生物效应与微纳尺度效应联系起来，建立数学模型，这就是 “知其所以然”。这样就可以运用自如地选择合适的微纳结构进行模仿，在设计中抓住关键特征结构和尺寸。然而，仅仅有好的思路是远远不够的， 还必须有相应的加工制作方法，否 则就只能是“有想法，没办法”。因此，必须进一步发展微 纳结合的加工工艺。硅集成5电路技术和微加工技术已经
7、非常成熟，纳米技术也正在从纳米材料制备向纳米结构的按需制造发展，但是微米技术和纳米技术基本上是在各自独立的发展，其工艺兼容性没有得到解决。所以，应该重点研究硅基微米结构上的纳米结构按需制造方法，为研制微纳光机电系统提供工艺基础。有了创新的思路、好的设计方法和制造工艺， 还应该进行实验验证和应用。因此，我们选择了具有较好研究基础的降噪微纳结构膜片、光导航微纳器件和爬行机器人微纳系统进行试制，从结构、器件、系统三个 层次对微纳光机电系统的设计和制造进行验证，同时还为减振降噪、自主 导航和救援侦察研制出具有重要应用前景的新型微纳光机电系统实验样机。2、技术途径 微纳结构功能特性与建模研究鉴于微纳结构
8、的多层次特点和本项目的应用目标，分析和建模工作首先立足于对纳米和微米两个不同尺度的系统探索，在此基础上发展跨越微纳尺度的统一的计算和模拟方法。技 术途径分为三个步骤，即纳米尺度的全原子模拟和连续特征提取，微米尺度的非 经典模型与参数识别，以及跨微纳尺度的模型对接与统一。在纳米尺度，首先基于量子力学第一性原理进行少量原子的相互作用模拟，建立可靠的原子间相互作用势函数。其次将相互作用势函数引入分子动力学，开展不同情况下纳米结构模拟。将模拟结果与高分辨电镜观察结果比较，验证其正确性。再之，将分子动力学模拟结果与相应经典连续 介质模型的结果进行反复比6较，以提取纳米结构适宜于采用连续介质模型描述的特征
9、，同时鉴别经典连续介质模型在表征纳米结构行为方面的缺失。在微米尺度，根据纳米尺度分子动力学模拟提供的信息，计入经典连续介质模型丢失的纳尺度特征，建立非经典的连续介质模型和相应的有限元计算格式，识别模型变量和参数的物理意义。这种模型原则上应当能够反映微米结构的全部光机电特性，并能与相应 的实验事实相符合。在以上两个步骤的基础上，针对不同纳米结构同时实施分子动力学和非经典的连续介质计算，将二者的 计算结果与相应的实验结果进行比较，验证连续模型的有效性，同时确定模型参数。经反复修正， 实现 微纳尺度模型的无缝对接和统一，使其既能把握纳米尺度关键特征，又能与微米尺度实验相吻合。将 该模型与相场动力学相
10、结合，可以避免微纳结构演化过程中运动边界的追踪，因而也能够有效地模拟微纳结构的形成与生长。 硅基微纳结构按需制造方法研究硅基微纳结构单元可控制造：纳米结构单元（纳米线、纳米管、纳米颗粒等）制备以“自下而上 ” 的途径 为主，包括气相生长、溶液生长、电化学沉积等干、湿方法，通过控制过饱和度、温度、溶液离子 强度、 过电位等关键实验参数来控制纳米结构单元的生长热力学和动力学，进而实现可控制造，对于较复杂的纳米结构单元制备采用模板组装的集成技术，基于无机模板、有机模板与干、湿方法相结合的思路来构筑所需的纳米结构单元；微米结构单元采用以 MEMS 干法刻蚀技术为主，与纳米压印技 术、聚焦离子束直写技
11、术 合理组合，在硅基材料上 获7得特定的二维或三维微结构。通过模拟生物组织自生长的微观环境，获得具有内部构架结构和外部微纳形态与生物组织“神似” 的微 纳结构单元。微纳结构单元的可控制造技术为微纳结构的组合和器件的构筑提供条件。硅基微纳结构制造：依据要求来设计具体的纳米结构，以通过“ 自上而下”手段获得的花样为生长模板，通 过 “干的” 或“湿的 ” 等“自下而上”手段在模板中实现可控生长与组装，并结 合仿生构筑技术， 获得所需的微纳结构器件。 为实现纳米结构单元在微米结构单元上定点、定向生长，将采用选择性蒸镀金属或聚合物掩膜等策略，以便在分子和原子尺度上依据仿生学原理达到“ 智能化”识别生长
12、点，并按需生长出具有较好一致性和重复性的结构。在一系列微纳尺度上研究微米结构单元和纳米结构单元的表面/界面结构和界面 稳定性问题，通过不同的纳米制造技术探索界面匹配的硅基微纳结构，并研究在服役环境下（温度、湿度、气氛、应力、光照、电磁场等）结构的稳定性。硅基微纳结构器件功能化：最后通过纳米操控技术对微纳结构和器件进行修整和改造，例如表面嫁接官能团以增强对环境化学物质的识别；表面负载金属纳米颗粒以增强对光信号的响应；通过纳米结构单元的规则排列及结构组合以增强对力学、声学、 电学等信号的检测。 仿生降噪微纳结构研究以微型 CT、环境扫描电镜 、光学三维测量显微镜等为主要工具，研究猫头鹰皮肤、覆羽微
13、结构，探索细微空腔结构特性和声波产 生与吸收的关联，分析振 动8波在猫头鹰体表的耗散情况，揭示其多机理耦合吸声机制，在此基础上建立柔顺材料结构的吸声降噪模型，为仿生降噪微纳结构的设计提供依据。在深入了解猫头鹰体表结构及其降噪机制的基础上，根据已经建立的模型，采用有限元仿真和实验相结合的方法，进行降噪微纳结构的设计。同时，根据各功能层对材料的流阻、孔隙率、结构因子、厚度以及密度等参数的要求，选择合适的仿生主动吸能结构材料。我们提出的硅基仿生减振微纳结构主要有三个结构层，即 纳米结构层、微米结构层（其间也有纳米结 构）和空腔层，分 别类比于猫头鹰体表的覆羽绒毛层、真皮 层和皮下空腔层。在硅基上可采
14、用 MEMS 技术形成所需形状与尺寸的空腔，也可以集成必要的测控器件。在硅基微米阵列结构之上再生长碳纳米管阵列构成纳米层结构。碳纳米管阵列具有良好的吸波特性，通过控制工艺过程可实现可控定向生长。我们将以吸声系数为技术指标，对该方案进行优化设计。根据微米技术和纳米技术各自的特点，采用先微米、后纳米的实验方案，以硅材料为基础并结合其他材料，通过微电子和 MEMS 等工艺制造硅基微米感知器件、控制电路、执行结构以及微米吸声结构和真空腔体，在此基础上通过纳米按需制造技术定向生长出柔性纳米结构，形成一体化的仿猫头鹰皮肤结构的硅基降噪微纳结构膜片，通过实验的手段验证其降噪特性，进而完成结构设计和制造方法的
15、优化。 生物光敏感器官的微纳结构与导航系统研究9利用环境扫描电子显微镜、透射电子显微镜、超微切片、激光共聚焦 显微镜、超微 CT 和计算机三维重建等技术，对蜣螂和沙蚁 的复眼形态学进行研究。利用染色和荧光标记的方法，对 含光敏色素（视紫红质素）的膜的结构、分布和方向进行研究，进而确立视紫红质 分子所在光感细胞和神经通路的联动机制。在此基础上，探索微纳结构光敏感效 应的基本规律和仿生设计途径，建立相应的数学模型和系统仿真模型。针对应用目标所选定的沙蚁、蜣螂、响尾蛇开展仿生偏振光导航传感器、仿生红外成像阵列研究，综合利用沙蚁和蜣螂的日光、月光偏振光导航机理，以及响尾蛇的红外目标探测机理，提出全天候
16、光导航器件的设计方案。主要包括多方向检偏纳米光栅阵列结构和参数优化，微纳光电探测阵列的结构和参数优化，并采用微纳光栅和红外光敏感双材料微梁阵列制作工艺，进行集成化硅基光导航器件微纳制造工艺设计，在充分考虑与光电器件工艺兼容性的基础上优化设计方案，并制作出仿生光导航微 纳器件。 粘附爬行机理与仿生机器人系统研究粘附爬行机理主要研究壁虎脚趾和部分昆虫（34 种）足跗节的微纳形貌结构、理化性能及其接触面之间的接触力学规律与附着机制。研究的技术路线包括：（1）生物新鲜标本的收集及种类鉴定；（2）在体视显微镜下进行样品制备；（3）运用环境扫描电子显微镜（ESEM）及透射电子显微镜（TEM ）观察生物体表
17、及内部组织的微米/纳米特征，分析特征 结构的功能及其演化；（ 4）运用 X 射线光电子能谱仪（XPS）等分析生物体表的化学成分；（5）运用微力测试仪测量生物体表与固体表面之间的粘附力；（6）耦合分析生物体表超微结构和体表化学成分与粘附力之间的数据关系，为研制仿生爬行机器人及工作于各种复杂环境下的其它特种机器人提供科学依据。10在本项研究中将以壁虎、昆虫为仿生对象，研究微 纳尺度效应和物理、化学、生物敏感机理，通过理论分析和实验研究设计和制造能够进入窄小空间、任意方位爬行的救援侦察机器人系统实验样机。将利用自行建立的动物运动分析系统，研究仿生对象的运动行为。采用神经电生理学技术和信号分析技术研究
18、动物运动神经网络结构及其运动行为的 CPG 控制模式， 获 得机器人控制的新思路。以原子、分子尺度的物理理论为 工具，研究生物特种功能结构、感知、控制、执行能力与微纳结构尺度效应之间的关系，使微纳尺度下的仿生设计和制造成为可能。我们将模仿壁虎的粘附爬行机制、昆虫足爪抓附与跳跃机制等动物感知、爬行、控制行为，建立爬行机器人微 纳系统仿生设计和制造的理论与方法，并研制出实验样机。样品制作标本收集及种类鉴定特征观察、采集、描记扫描、透射电镜体视显微镜微纳光机电系统仿生设计微力测试仪仪特征分析与综合、特征与粘附性能的耦合分析XPS建立数学模型选择优化结构图 9 本项目开展动物粘附爬行机理及仿生研究的技术路线
