【基金標(biāo)書】2011CB302100-微納光機(jī)電系統(tǒng)的仿生設(shè)計(jì)與制造方法

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1項(xiàng)目名稱： 微納光機(jī)電系統(tǒng)的仿生設(shè)計(jì)與制造方法首席科學(xué)家： 梅濤 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部門： 中國(guó)科學(xué)院2二、預(yù)期目標(biāo)1、總體目標(biāo)本項(xiàng)目面向國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)家安全領(lǐng)域?qū)Πl(fā)展微納光機(jī)電系統(tǒng)的重大需求，開展微納光機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與制造方法研究，并運(yùn)用仿生學(xué)原理為發(fā)展新型微納光機(jī)電系統(tǒng)提供創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，以提升我國(guó)在微納光機(jī)電系統(tǒng)方面的原始創(chuàng)新能力。通過本項(xiàng)研究將系 統(tǒng)地建立微納結(jié)構(gòu)光機(jī)電特性的尺度效應(yīng)模型，為微納光機(jī)電系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。并針對(duì)跨微納尺度加工的按需制造與工藝兼容性難點(diǎn)，系 統(tǒng)地建立硅基微 納結(jié)構(gòu)制造工藝流程， 為實(shí)現(xiàn)微納集成制造提供工藝基礎(chǔ)。最后，以 降噪微納結(jié)構(gòu)膜片、光 導(dǎo)航微納器件和爬行機(jī)器人微 納系統(tǒng)為對(duì)象，從結(jié) 構(gòu)、器件和系統(tǒng)三個(gè)層次建立微納光機(jī)電系 統(tǒng)的仿生設(shè)計(jì)與制造方法，并為減振降噪、自主導(dǎo)航和救援偵察等應(yīng)用場(chǎng)合研制出新型微納光機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。通 過本項(xiàng)目研究還 將帶動(dòng)一批國(guó)家和省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，培養(yǎng)一批創(chuàng)新思維突出、專業(yè)能力 堅(jiān)實(shí)的優(yōu)秀中青年人才，有可能在國(guó)際上形成一支引領(lǐng)仿生微納光機(jī)電系統(tǒng)研究的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。2、五年預(yù)期目標(biāo)預(yù)計(jì)經(jīng)過五年的努力，將從理論方法、技 術(shù)實(shí)現(xiàn)到應(yīng)用目標(biāo)取得 2 ~ 3 項(xiàng)具有原創(chuàng)性的重要突破，使微 納光機(jī)電系統(tǒng)研究進(jìn)入新的發(fā)展階段，在國(guó)際相關(guān)研究領(lǐng)域取得領(lǐng)先地位。五年 發(fā)表高水平論文 200 篇，出版專著 2 部，申 請(qǐng)發(fā)明專利 30 項(xiàng)。在人才培養(yǎng)和隊(duì) 伍建設(shè)方面，造就出一批具有國(guó)際水平的跨學(xué)科學(xué)術(shù)帶頭人，培養(yǎng)出博士 50 名、碩士 50 名。 并取得以下具體成果：? 在實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和計(jì)算機(jī)模擬的基礎(chǔ)上發(fā)展一套精確表征微納結(jié)構(gòu)的分析方法，建立典型微納結(jié)構(gòu)形成、 組裝和多場(chǎng)耦合響應(yīng)的理論模型， 為微納光機(jī)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造提供分析與仿真模擬工具 1 套。? 揭示多種動(dòng)物特殊體表的微納結(jié)構(gòu)對(duì)粘附與脫附、減振降噪和光導(dǎo)航功能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)和篩選出 4~6 種高性能微納形態(tài)結(jié)構(gòu)，為降噪微納結(jié)構(gòu)、光導(dǎo)航微納器件、爬行機(jī)器人微納系統(tǒng)的仿生設(shè)計(jì)與制造提供生物學(xué)基礎(chǔ)。? 發(fā)展 3~4 種硅基微結(jié)構(gòu)上納米結(jié)構(gòu)制造工藝流程，在硅片上實(shí)現(xiàn)微納腔體結(jié)構(gòu)、納米光柵、微納分叉柔性陣列等微納功能結(jié)構(gòu)的按需制造，為微納光機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)制作提供工藝基礎(chǔ)。3? 以壁虎、昆蟲等生物的感知、控制與爬行能力為模仿對(duì)象， 設(shè)計(jì)和制造出能夠在天花板上倒立爬行的粘附爬行機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。? 以貓頭鷹皮膚和覆羽的吸振降噪機(jī)理為模仿對(duì)象，發(fā)展硅基降噪微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造方法，制作出硅基降噪微納結(jié)構(gòu)膜片，吸振系數(shù)提高 20%。? 以沙蟻、蜣螂、響尾蛇為模仿對(duì)象，研制出硅基光導(dǎo)航微納器件樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)日光、月光導(dǎo)航和紅外目標(biāo)探測(cè)功能， 測(cè)角位置精度達(dá)到?0.2 度， 紅外探測(cè)分辨率優(yōu)于 0.05K。4三、研究方案1、學(xué)術(shù)思路 微納光機(jī)電系統(tǒng)并不是簡(jiǎn)單地將普通的光機(jī)電系統(tǒng)縮小到微納米尺寸就能夠得到相應(yīng)的性能，這時(shí)由于微納尺度效應(yīng)使許多原來對(duì)普通光機(jī)電系統(tǒng)沒有太大影響的效應(yīng)被凸顯出來，甚至?xí)紦?jù)主導(dǎo)地位，完全改變?cè)械奶匦?，也可能帶來特殊的新功能。因此，必須首先分析和了解力學(xué)、光學(xué)和 電學(xué)等各種效應(yīng)與微納結(jié)構(gòu)尺度之間的關(guān)系，才能有針對(duì)性地進(jìn)行微納光機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在尺度效應(yīng)分析的基礎(chǔ)對(duì)普通光機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行微納米化，是目前研制微納光機(jī)電系統(tǒng)的主要思路，但是 這種方法難以突破傳統(tǒng)的思維定勢(shì)，更難超越已經(jīng)領(lǐng)先的科技發(fā)達(dá)國(guó)家，因此必 須尋求產(chǎn)生跨越式創(chuàng)新的靈感，才能取得原始性創(chuàng)新成果，后來居上。仿生學(xué)正是為我們提供了這樣的新機(jī)遇。運(yùn)用仿生學(xué)原理，借鑒生物組織中的微納結(jié)構(gòu)和各種光機(jī)電效應(yīng)機(jī)理，以及生物在復(fù)雜環(huán)境中的感知、判斷、捕食、偽裝、規(guī)避和適應(yīng)能力，能夠?yàn)檠兄菩滦臀⒓{光機(jī)電系統(tǒng)提供源源不斷的創(chuàng)新思路。因此，需要深入研究生物組織微納結(jié)構(gòu)與生物的各種特殊功能之間的關(guān)系，這是“知其然 ”。同時(shí)，還要將這些生物效應(yīng)與微納尺度效應(yīng)聯(lián)系起來，建立數(shù)學(xué)模型，這就是 “知其所以然”。這樣就可以運(yùn)用自如地選擇合適的微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行模仿，在設(shè)計(jì)中抓住關(guān)鍵特征結(jié)構(gòu)和尺寸。然而，僅僅有好的思路是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的， 還必須有相應(yīng)的加工制作方法，否 則就只能是“有想法，沒辦法”。因此，必須進(jìn)一步發(fā)展微 納結(jié)合的加工工藝。硅集成5電路技術(shù)和微加工技術(shù)已經(jīng)非常成熟，納米技術(shù)也正在從納米材料制備向納米結(jié)構(gòu)的按需制造發(fā)展，但是微米技術(shù)和納米技術(shù)基本上是在各自獨(dú)立的發(fā)展，其工藝兼容性沒有得到解決。所以，應(yīng)該重點(diǎn)研究硅基微米結(jié)構(gòu)上的納米結(jié)構(gòu)按需制造方法，為研制微納光機(jī)電系統(tǒng)提供工藝基礎(chǔ)。有了創(chuàng)新的思路、好的設(shè)計(jì)方法和制造工藝， 還應(yīng)該進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和應(yīng)用。因此，我們選擇了具有較好研究基礎(chǔ)的降噪微納結(jié)構(gòu)膜片、光導(dǎo)航微納器件和爬行機(jī)器人微納系統(tǒng)進(jìn)行試制，從結(jié)構(gòu)、器件、系統(tǒng)三個(gè) 層次對(duì)微納光機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)還為減振降噪、自主 導(dǎo)航和救援偵察研制出具有重要應(yīng)用前景的新型微納光機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。2、技術(shù)途徑? 微納結(jié)構(gòu)功能特性與建模研究鑒于微納結(jié)構(gòu)的多層次特點(diǎn)和本項(xiàng)目的應(yīng)用目標(biāo)，分析和建模工作首先立足于對(duì)納米和微米兩個(gè)不同尺度的系統(tǒng)探索，在此基礎(chǔ)上發(fā)展跨越微納尺度的統(tǒng)一的計(jì)算和模擬方法。技 術(shù)途徑分為三個(gè)步驟，即納米尺度的全原子模擬和連續(xù)特征提取，微米尺度的非 經(jīng)典模型與參數(shù)識(shí)別，以及跨微納尺度的模型對(duì)接與統(tǒng)一。在納米尺度，首先基于量子力學(xué)第一性原理進(jìn)行少量原子的相互作用模擬，建立可靠的原子間相互作用勢(shì)函數(shù)。其次將相互作用勢(shì)函數(shù)引入分子動(dòng)力學(xué)，開展不同情況下納米結(jié)構(gòu)模擬。將模擬結(jié)果與高分辨電鏡觀察結(jié)果比較，驗(yàn)證其正確性。再之，將分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果與相應(yīng)經(jīng)典連續(xù) 介質(zhì)模型的結(jié)果進(jìn)行反復(fù)比6較，以提取納米結(jié)構(gòu)適宜于采用連續(xù)介質(zhì)模型描述的特征，同時(shí)鑒別經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)模型在表征納米結(jié)構(gòu)行為方面的缺失。在微米尺度，根據(jù)納米尺度分子動(dòng)力學(xué)模擬提供的信息，計(jì)入經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)模型丟失的納尺度特征，建立非經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)模型和相應(yīng)的有限元計(jì)算格式，識(shí)別模型變量和參數(shù)的物理意義。這種模型原則上應(yīng)當(dāng)能夠反映微米結(jié)構(gòu)的全部光機(jī)電特性，并能與相應(yīng) 的實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符合。在以上兩個(gè)步驟的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同納米結(jié)構(gòu)同時(shí)實(shí)施分子動(dòng)力學(xué)和非經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)計(jì)算，將二者的 計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證連續(xù)模型的有效性，同時(shí)確定模型參數(shù)。經(jīng)反復(fù)修正， 實(shí)現(xiàn) 微納尺度模型的無縫對(duì)接和統(tǒng)一，使其既能把握納米尺度關(guān)鍵特征，又能與微米尺度實(shí)驗(yàn)相吻合。將 該模型與相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)相結(jié)合，可以避免微納結(jié)構(gòu)演化過程中運(yùn)動(dòng)邊界的追蹤，因而也能夠有效地模擬微納結(jié)構(gòu)的形成與生長(zhǎng)。? 硅基微納結(jié)構(gòu)按需制造方法研究硅基微納結(jié)構(gòu)單元可控制造：納米結(jié)構(gòu)單元（納米線、納米管、納米顆粒等）制備以“自下而上 ” 的途徑 為主，包括氣相生長(zhǎng)、溶液生長(zhǎng)、電化學(xué)沉積等干、濕方法，通過控制過飽和度、溫度、溶液離子 強(qiáng)度、 過電位等關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)參數(shù)來控制納米結(jié)構(gòu)單元的生長(zhǎng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可控制造，對(duì)于較復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)單元制備采用模板－組裝的集成技術(shù)，基于無機(jī)模板、有機(jī)模板與干、濕方法相結(jié)合的思路來構(gòu)筑所需的納米結(jié)構(gòu)單元；微米結(jié)構(gòu)單元采用以 MEMS 干法刻蝕技術(shù)為主，與納米壓印技 術(shù)、聚焦離子束直寫技 術(shù) 合理組合，在硅基材料上 獲7得特定的二維或三維微結(jié)構(gòu)。通過模擬生物組織自生長(zhǎng)的微觀環(huán)境，獲得具有內(nèi)部構(gòu)架結(jié)構(gòu)和外部微納形態(tài)與生物組織“神似” 的微 納結(jié)構(gòu)單元。微納結(jié)構(gòu)單元的可控制造技術(shù)為微納結(jié)構(gòu)的組合和器件的構(gòu)筑提供條件。硅基微納結(jié)構(gòu)制造：依據(jù)要求來設(shè)計(jì)具體的納米結(jié)構(gòu)，以通過“ 自上而下”手段獲得的花樣為生長(zhǎng)模板，通 過 “干的” 或“濕的 ” 等“自下而上”手段在模板中實(shí)現(xiàn)可控生長(zhǎng)與組裝，并結(jié) 合仿生構(gòu)筑技術(shù)， 獲得所需的微納結(jié)構(gòu)器件。 為實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)單元在微米結(jié)構(gòu)單元上定點(diǎn)、定向生長(zhǎng)，將采用選擇性蒸鍍金屬或聚合物掩膜等策略，以便在分子和原子尺度上依據(jù)仿生學(xué)原理達(dá)到“ 智能化”識(shí)別生長(zhǎng)點(diǎn)，并按需生長(zhǎng)出具有較好一致性和重復(fù)性的結(jié)構(gòu)。在一系列微納尺度上研究微米結(jié)構(gòu)單元和納米結(jié)構(gòu)單元的表面/界面結(jié)構(gòu)和界面 穩(wěn)定性問題，通過不同的納米制造技術(shù)探索界面匹配的硅基微納結(jié)構(gòu)，并研究在服役環(huán)境下（溫度、濕度、氣氛、應(yīng)力、光照、電磁場(chǎng)等）結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。硅基微納結(jié)構(gòu)器件功能化：最后通過納米操控技術(shù)對(duì)微納結(jié)構(gòu)和器件進(jìn)行修整和改造，例如表面嫁接官能團(tuán)以增強(qiáng)對(duì)環(huán)境化學(xué)物質(zhì)的識(shí)別；表面負(fù)載金屬納米顆粒以增強(qiáng)對(duì)光信號(hào)的響應(yīng)；通過納米結(jié)構(gòu)單元的規(guī)則排列及結(jié)構(gòu)組合以增強(qiáng)對(duì)力學(xué)、聲學(xué)、 電學(xué)等信號(hào)的檢測(cè)。? 仿生降噪微納結(jié)構(gòu)研究以微型 CT、環(huán)境掃描電鏡 、光學(xué)三維測(cè)量顯微鏡等為主要工具，研究貓頭鷹皮膚、覆羽微結(jié)構(gòu)，探索細(xì)微空腔結(jié)構(gòu)特性和聲波產(chǎn) 生與吸收的關(guān)聯(lián)，分析振 動(dòng)8波在貓頭鷹體表的耗散情況，揭示其多機(jī)理耦合吸聲機(jī)制，在此基礎(chǔ)上建立柔順材料結(jié)構(gòu)的吸聲降噪模型，為仿生降噪微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在深入了解貓頭鷹體表結(jié)構(gòu)及其降噪機(jī)制的基礎(chǔ)上，根據(jù)已經(jīng)建立的模型，采用有限元仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，進(jìn)行降噪微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，根據(jù)各功能層對(duì)材料的流阻、孔隙率、結(jié)構(gòu)因子、厚度以及密度等參數(shù)的要求，選擇合適的仿生主動(dòng)吸能結(jié)構(gòu)材料。我們提出的硅基仿生減振微納結(jié)構(gòu)主要有三個(gè)結(jié)構(gòu)層，即 納米結(jié)構(gòu)層、微米結(jié)構(gòu)層（其間也有納米結(jié) 構(gòu)）和空腔層，分 別類比于貓頭鷹體表的覆羽絨毛層、真皮 層和皮下空腔層。在硅基上可采用 MEMS 技術(shù)形成所需形狀與尺寸的空腔，也可以集成必要的測(cè)控器件。在硅基微米陣列結(jié)構(gòu)之上再生長(zhǎng)碳納米管陣列構(gòu)成納米層結(jié)構(gòu)。碳納米管陣列具有良好的吸波特性，通過控制工藝過程可實(shí)現(xiàn)可控定向生長(zhǎng)。我們將以吸聲系數(shù)為技術(shù)指標(biāo)，對(duì)該方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)微米技術(shù)和納米技術(shù)各自的特點(diǎn)，采用先微米、后納米的實(shí)驗(yàn)方案，以硅材料為基礎(chǔ)并結(jié)合其他材料，通過微電子和 MEMS 等工藝制造硅基微米感知器件、控制電路、執(zhí)行結(jié)構(gòu)以及微米吸聲結(jié)構(gòu)和真空腔體，在此基礎(chǔ)上通過納米按需制造技術(shù)定向生長(zhǎng)出柔性納米結(jié)構(gòu)，形成一體化的仿貓頭鷹皮膚結(jié)構(gòu)的硅基降噪微納結(jié)構(gòu)膜片，通過實(shí)驗(yàn)的手段驗(yàn)證其降噪特性，進(jìn)而完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造方法的優(yōu)化。? 生物光敏感器官的微納結(jié)構(gòu)與導(dǎo)航系統(tǒng)研究9利用環(huán)境掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、超微切片、激光共聚焦 顯微鏡、超微 CT 和計(jì)算機(jī)三維重建等技術(shù)，對(duì)蜣螂和沙蟻 的復(fù)眼形態(tài)學(xué)進(jìn)行研究。利用染色和熒光標(biāo)記的方法，對(duì) 含光敏色素（視紫紅質(zhì)素）的膜的結(jié)構(gòu)、分布和方向進(jìn)行研究，進(jìn)而確立視紫紅質(zhì) 分子所在光感細(xì)胞和神經(jīng)通路的聯(lián)動(dòng)機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，探索微納結(jié)構(gòu)光敏感效 應(yīng)的基本規(guī)律和仿生設(shè)計(jì)途徑，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)仿真模型。針對(duì)應(yīng)用目標(biāo)所選定的沙蟻、蜣螂、響尾蛇開展仿生偏振光導(dǎo)航傳感器、仿生紅外成像陣列研究，綜合利用沙蟻和蜣螂的日光、月光偏振光導(dǎo)航機(jī)理，以及響尾蛇的紅外目標(biāo)探測(cè)機(jī)理，提出全天候光導(dǎo)航器件的設(shè)計(jì)方案。主要包括多方向檢偏納米光柵陣列結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化，微納光電探測(cè)陣列的結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化，并采用微納光柵和紅外光敏感雙材料微梁陣列制作工藝，進(jìn)行集成化硅基光導(dǎo)航器件微納制造工藝設(shè)計(jì)，在充分考慮與光電器件工藝兼容性的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并制作出仿生光導(dǎo)航微 納器件。? 粘附爬行機(jī)理與仿生機(jī)器人系統(tǒng)研究粘附爬行機(jī)理主要研究壁虎腳趾和部分昆蟲（3－4 種）足跗節(jié)的微納形貌結(jié)構(gòu)、理化性能及其接觸面之間的接觸力學(xué)規(guī)律與附著機(jī)制。研究的技術(shù)路線包括：（1）生物新鮮標(biāo)本的收集及種類鑒定；（2）在體視顯微鏡下進(jìn)行樣品制備；（3）運(yùn)用環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）及透射電子顯微鏡（TEM ）觀察生物體表及內(nèi)部組織的微米/納米特征，分析特征 結(jié)構(gòu)的功能及其演化；（ 4）運(yùn)用 X 射線光電子能譜儀（XPS）等分析生物體表的化學(xué)成分；（5）運(yùn)用微力測(cè)試儀測(cè)量生物體表與固體表面之間的粘附力；（6）耦合分析生物體表超微結(jié)構(gòu)和體表化學(xué)成分與粘附力之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，為研制仿生爬行機(jī)器人及工作于各種復(fù)雜環(huán)境下的其它特種機(jī)器人提供科學(xué)依據(jù)。10在本項(xiàng)研究中將以壁虎、昆蟲為仿生對(duì)象，研究微 納尺度效應(yīng)和物理、化學(xué)、生物敏感機(jī)理，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)和制造能夠進(jìn)入窄小空間、任意方位爬行的救援偵察機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。將利用自行建立的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)，研究仿生對(duì)象的運(yùn)動(dòng)行為。采用神經(jīng)電生理學(xué)技術(shù)和信號(hào)分析技術(shù)研究動(dòng)物運(yùn)動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)行為的 CPG 控制模式， 獲 得機(jī)器人控制的新思路。以原子、分子尺度的物理理論為 工具，研究生物特種功能結(jié)構(gòu)、感知、控制、執(zhí)行能力與微納結(jié)構(gòu)尺度效應(yīng)之間的關(guān)系，使微納尺度下的仿生設(shè)計(jì)和制造成為可能。我們將模仿壁虎的粘附爬行機(jī)制、昆蟲足爪抓附與跳躍機(jī)制等動(dòng)物感知、爬行、控制行為，建立爬行機(jī)器人微 納系統(tǒng)仿生設(shè)計(jì)和制造的理論與方法，并研制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。樣品制作標(biāo)本收集及種類鑒定特征觀察、采集、描記掃描、透射電鏡體視顯微鏡微納光機(jī)電系統(tǒng)仿生設(shè)計(jì)微力測(cè)試儀儀特征分析與綜合、特征與粘附性能的耦合分析XPS建立數(shù)學(xué)模型選擇優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖 9 本項(xiàng)目開展動(dòng)物粘附爬行機(jī)理及仿生研究的技術(shù)路線113、創(chuàng)新性與特色：本項(xiàng)研究最具特色的是，系統(tǒng)地將仿生學(xué)運(yùn)用于微納光機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造中，為研制新型微納光機(jī) 電系統(tǒng)提供創(chuàng)新思路，也將有可能產(chǎn)生新的發(fā)現(xiàn)，獲得具有原創(chuàng)性的知識(shí)創(chuàng)新成果。 基于 “自下而上 ”的技術(shù)路 線，通 過 “自上而下” 手段獲得所需結(jié)構(gòu)與器件的構(gòu)筑模板、借助模板－自組 裝集成的思路， 結(jié)合仿生構(gòu)筑原理，可望發(fā)展微納結(jié)構(gòu)及器件的新構(gòu)筑原理與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)按需和可控構(gòu)筑各種硅基微納結(jié)構(gòu)。借鑒貓頭鷹等動(dòng)物皮膚和覆羽的吸振降噪機(jī)理，設(shè)計(jì)和制造出硅基降噪微納結(jié)構(gòu)膜片，為聲隱形和環(huán) 境降噪提供新手段。借鑒生物偏振日光、偏振月光導(dǎo)航定位和紅外目標(biāo)探測(cè)機(jī)理，研制全天候光導(dǎo)航器件，發(fā)展高精度自主 導(dǎo)航系統(tǒng)。以壁虎、甲蟲等動(dòng)物的感知、控制與爬行能力 為模仿對(duì)象，研制出能 夠在天花板上倒立爬行的仿生機(jī)器人，發(fā)展新型救援偵察裝備。4、取得重大突破的可行性分析：微納光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)與仿生學(xué)的大幅度學(xué)科交叉，將國(guó)內(nèi)不同領(lǐng)域中一流研究單位的三十位科研骨干集中到一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，在項(xiàng)目申請(qǐng)的研討過程中已經(jīng)碰撞出許多思想的火花， 為產(chǎn)生原始創(chuàng)新搭建了一個(gè)良好的研究平臺(tái)。這種通過大幅度學(xué)科交叉來解決微納光機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)難關(guān)的方式，很有可能在以下幾個(gè)方面取得重大突破。 （1）將理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，有可能實(shí)現(xiàn)微納光機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法學(xué)上的突破； 目前人們對(duì)納米結(jié)構(gòu)的了解還處于起步階段，尚不能進(jìn)行全面測(cè)試，因此我們采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法來進(jìn)行研究。借助于超級(jí)計(jì)算機(jī)，人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)包含 10 億個(gè)原子系統(tǒng)的行為進(jìn)行詳細(xì)的原子尺度計(jì)算和模擬。借助于微納12制造工藝我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定微納結(jié)構(gòu)的按需制造，為驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性提供實(shí)驗(yàn)樣本。這些方法為微納尺度效應(yīng)的認(rèn)識(shí)提供了有力的工具，借助于我們建立的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)和已有的大型計(jì)算能力，將使我們能夠?qū)Ψ律⒓{結(jié)構(gòu)的光機(jī)電特性進(jìn)行數(shù)學(xué)描述和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。將仿生設(shè)計(jì)原理、按需生長(zhǎng)工藝、跨尺度分析模擬等先進(jìn)的思想方法融為一體，最大可能地發(fā)揮微納協(xié)同作用，將有可能實(shí)現(xiàn)微納光機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法學(xué)上的突破。 （2）從微納結(jié)構(gòu)的角度對(duì)生物功能組織進(jìn)行研究，有可能發(fā)現(xiàn)新的生物現(xiàn)象； 本項(xiàng)目組在前期研究中，發(fā)現(xiàn)目前生物學(xué)界對(duì)感覺器官的研究重點(diǎn)在神經(jīng)處理機(jī)制方面，而對(duì)生物感覺器官微納結(jié)構(gòu)與光機(jī)電功能的關(guān)系研究比較薄弱。其原因可能是兩個(gè)方面，一是對(duì)了解生物感覺器官微納結(jié)構(gòu)的需求不足，二是目前生物學(xué)研究單位缺乏微納技術(shù)手段。本項(xiàng)目由于機(jī)理仿生和組織仿生的需要，對(duì)生物學(xué)家提出了在微納尺度上重新認(rèn)識(shí)生物器官和組織的要求，同時(shí)我們又建立了微納結(jié)構(gòu)制作手段，這將有可能導(dǎo)致新的生物光機(jī)電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為微納光機(jī)電系統(tǒng)研制提供新的借鑒。這種新發(fā)現(xiàn)是對(duì)人類認(rèn)識(shí)自然的貢獻(xiàn)，將得到國(guó)際科學(xué)界足夠重視，壁虎微納結(jié)構(gòu)與粘附機(jī)理的發(fā)現(xiàn)就是很好的例子。 （3）通過結(jié)構(gòu)仿生實(shí)現(xiàn)功能仿生，能夠攻克微納光機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)難關(guān)。在硅基微納結(jié)構(gòu)制造方面，建立“自上而下”和“自下而上 ”微納結(jié)構(gòu)組合制造工藝流程，有望實(shí)現(xiàn)微納結(jié) 構(gòu)的按需制造，通 過結(jié)構(gòu)仿生實(shí)現(xiàn)功能仿生。本 項(xiàng)目以貓頭鷹、沙蟻、蜣螂、響尾蛇、壁虎等生物微納結(jié)構(gòu)為模仿對(duì)象，將借助硅基微納結(jié)構(gòu)按需制造工藝制作出與生物組織相似的結(jié)構(gòu)，從而獲得與生物相似的功能，為攻克降噪微納結(jié)構(gòu)、光導(dǎo)航微納器件、爬行機(jī)器人微納系統(tǒng)中的技術(shù)難關(guān)另辟蹊徑，發(fā)明出三種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型微納光機(jī)電系統(tǒng)。13課題設(shè)置各課題間相互關(guān)系本項(xiàng)目將系統(tǒng)地針對(duì)微納光機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論、仿生原理和制造方法開展研究，因此首先設(shè)立了三個(gè) 課題：微納結(jié)構(gòu)的功能特性與數(shù)學(xué)模型——為微納光機(jī)電系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)依據(jù)；生物組織的微納結(jié)構(gòu)與仿生機(jī)理——為微納光機(jī)電系統(tǒng)提供創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路；硅基微納結(jié)構(gòu)的按需制造方法——為微納光機(jī)電系統(tǒng)提供工藝基礎(chǔ)。然后，運(yùn)用前面三個(gè)課題發(fā)展出來的設(shè)計(jì) 依據(jù)、仿生思路和工 藝基礎(chǔ)，從微納功能結(jié)構(gòu)、器件和系 統(tǒng)三個(gè)層次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因此設(shè)立了后面三個(gè)應(yīng)用目標(biāo)明確的課題：降噪微納結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)與制造；仿生光導(dǎo)航微納器件的設(shè)計(jì)與制造；爬行機(jī)器人微納系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造。這六個(gè)課題形成了縱橫交叉的立體研究結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)、全面地解決微納光機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵 科學(xué)問題，同 時(shí)為減振降噪、自主導(dǎo)航和救援偵察等應(yīng)用領(lǐng)域提供新型光機(jī)電系統(tǒng)樣機(jī)。課題一：微納結(jié)構(gòu)的功能特性與數(shù)學(xué)模型課題三：硅基微納結(jié)構(gòu)的按需制造方法課題二：生物組織的微納結(jié)構(gòu)與仿生機(jī)理設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)依據(jù)工藝基礎(chǔ)課題五：光導(dǎo)航微納器件課題四：降噪微納結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)課題六：爬行機(jī)器人微納系統(tǒng)圖 10 各課題之間的相互依存關(guān)系14課題 1、微納結(jié)構(gòu)的功能特性與數(shù)學(xué)模型預(yù)期目標(biāo)：在實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和計(jì)算機(jī)模擬的基礎(chǔ)上發(fā)展一套精確表征微納米結(jié)構(gòu)分析方法，建立典型微納 米結(jié)構(gòu)形成、 組裝和多場(chǎng) 耦合響應(yīng)的理論模型， 為本項(xiàng)目涉及的微納光機(jī)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造提供分析與仿真模擬工具。研究?jī)?nèi)容：1）搭建微納結(jié)構(gòu)操作和測(cè)試平臺(tái)建立激光雙光子全三維立體微納結(jié)構(gòu)加工平臺(tái)，基于微裝配技術(shù)的微小物體高精度操縱平臺(tái)，以及基于 壓電探針原子力顯微鏡的納米力學(xué)測(cè)試平臺(tái)；建立以單片集成 MEMS 測(cè)試芯片 實(shí)現(xiàn)加載與力學(xué)參數(shù)高精度測(cè)量的微結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)與光、機(jī)、電性能 測(cè)試平臺(tái)等。2）建立微納結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的跨尺度理論模型從第一性原理研究原子間相互作用規(guī)律，提出勢(shì)函數(shù)表達(dá)式；結(jié)合大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示不同納 米結(jié)構(gòu)因空間尺寸束縛導(dǎo)致的尺度效應(yīng)；針對(duì)微、納不同尺度的變形特征發(fā)展微納結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的跨尺度模型，并通過與相關(guān)實(shí)驗(yàn)及分子動(dòng)力學(xué)模擬比較確定模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)從納米到微米尺度的跨越；與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，定量研究貓頭鷹體表和壁虎足掌微納結(jié)構(gòu)的減振降噪和粘結(jié)攀爬功能機(jī)理。3）建立微納結(jié)構(gòu)光電行為的跨尺度理論模型研究偏振光與自由電子共振激發(fā)耦合數(shù)值模擬方法，建立偏振光電磁場(chǎng)在亞波長(zhǎng)納米光柵中的尺度限制和界面效應(yīng)理論模型；應(yīng)用矩陣子空間投影等模型降階算法并通過縮聚連續(xù)介質(zhì)域自由度，實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)光電響應(yīng)的多尺度模擬15和靜、動(dòng)態(tài)仿真；結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，從微納結(jié)構(gòu)層次研究沙蟻對(duì)偏振光和響尾蛇對(duì)紅外熱像的敏感機(jī)理。4）發(fā)展微納結(jié)構(gòu)形貌演化和生長(zhǎng)的模擬方法基于微組織演化動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)，借助于跨尺度模型和相場(chǎng)模擬，表征微納米尺度材料的本構(gòu)關(guān)系，建立其精細(xì)結(jié)構(gòu)形貌形成、 穩(wěn)定性、演化與生長(zhǎng)的相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)分析工具；結(jié)合具體系統(tǒng)，模擬硅微結(jié)構(gòu)上納米結(jié)構(gòu)的形貌演化，為實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定向可控生長(zhǎng)提供理論參考。5）開展微納光機(jī)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)將所發(fā)展的理論模型和模擬方法與降噪微納結(jié)構(gòu)膜片、光導(dǎo)航微納器件和爬行機(jī)器人微納系統(tǒng)相結(jié)合，開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性分析。經(jīng)費(fèi)比例：15%承擔(dān)單位：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、大連理工大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：何陵輝學(xué)術(shù)骨干：、褚家如、倪勇、鄒赫麟、金仁成課題 2、生物組織的微納結(jié)構(gòu)與仿生機(jī)理預(yù)期目標(biāo)：本課題擬對(duì)具有獨(dú)特攀爬、光導(dǎo)航及降噪與減振功能的多種生物（包括壁虎、貓頭鷹、甲蟲、 蒼蠅、蟬 類等）特殊體表的微納米結(jié) 構(gòu)開展研究，對(duì)體表微米及納米級(jí)超微結(jié)構(gòu)的形貌進(jìn)行觀察、搜集、描記和分析，從功能形 態(tài)學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)及物理化學(xué)的角度，探討體表微 納米結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)成分 對(duì)生物粘附與脫附、降噪與減振及光敏與導(dǎo)航功能的耦合關(guān)系，比 較不同生物在各 項(xiàng)功能上的特點(diǎn)、共性和不同之處，期望 發(fā)現(xiàn)和 篩選出 4－6 種具有高性能粘附、降噪、光敏功能的微16納米形態(tài)結(jié)構(gòu)，為降噪微納結(jié)構(gòu)、光 導(dǎo)航微納器件、爬行機(jī)器人微納系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造提供仿生學(xué)基礎(chǔ)。研究?jī)?nèi)容：1）生物組織微納結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性研究研究壁虎、蒼蠅和甲蟲腳（足）掌與接觸面之間的接觸粘附、觸覺感知和運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制，為仿生機(jī)器人的全方位、無障礙爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供生物學(xué)原型。采用環(huán)境掃描電子顯微鏡、透射 顯微鏡等技術(shù)， 對(duì)其腳趾和足表的表面特征、微 納形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察、比較和分析，結(jié)合力學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)的分析手段，探討運(yùn)動(dòng)及靜止過程中腳趾及足與固體接觸面之間的接觸力學(xué)規(guī)律、粘附機(jī)理、生物學(xué)特性及其仿生意義。2）生物組織微納結(jié)構(gòu)的仿生機(jī)理研究研究足表面微納米結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分對(duì)粘附性能的耦合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)和篩選出具有強(qiáng)粘附力的微納米形態(tài)結(jié)構(gòu)，建立優(yōu)化模型， 為 仿生爬壁機(jī)器人及工作于各種復(fù)雜環(huán)境下的其它特種機(jī)器人以及高性能粘附材料與機(jī)械的設(shè)計(jì)及制造提供仿生學(xué)的理論依據(jù)和實(shí)踐支持。3）生物視覺器官的微納結(jié)構(gòu)與仿生機(jī)理研究以沙蟻、蜣螂為對(duì)象，研究其復(fù)眼、小眼的形 態(tài)和結(jié) 構(gòu)，重點(diǎn)是超微形態(tài)結(jié)構(gòu)和組織細(xì)胞學(xué)結(jié)構(gòu)，研究沙 蟻利用大氣太陽光和蜣螂利用夜晚月光散射的偏振模式進(jìn)行導(dǎo)航和定位的機(jī)理，為滿足室外全天候、高精度的新的微型導(dǎo)航定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造提高仿生學(xué)思路。174）生物皮毛微納結(jié)構(gòu)與降噪機(jī)理的研究研究貓頭鷹翅表羽毛及其絨毛表面形態(tài)的微納結(jié)構(gòu)，分析其消聲、吸波、降噪、減阻及減振等特殊功能的特性與機(jī)理，為減振降噪微納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造提供思路。經(jīng)費(fèi)比例：15%承擔(dān)單位：中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院課題負(fù)責(zé)人：梁愛萍學(xué)術(shù)骨干：屈延華、梁紅斌、孔斌、黃炫課題 3、硅基微納結(jié)構(gòu)的按需制造方法預(yù)期目標(biāo)：本課題擬針對(duì)跨微納尺度加工的按需制造與工藝兼容性難點(diǎn)，系統(tǒng)研究硅基微納結(jié)構(gòu)仿生構(gòu)筑新原理， 開拓和發(fā)展擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微納結(jié)構(gòu)的仿生構(gòu)筑技術(shù)，建立微納結(jié)構(gòu)仿生構(gòu)筑的新方法，實(shí)現(xiàn)按需構(gòu)筑若干種硅基微納結(jié)構(gòu)；獲得以仿生原理為基礎(chǔ)的硅基微納結(jié)構(gòu)器件，為其他相關(guān)課題組提供微納結(jié)構(gòu)器件制造工藝流程。研究?jī)?nèi)容：1）探索微納結(jié)構(gòu)單元按需制造方法研究納米尺度空間的材料物理化學(xué)，實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)可控生長(zhǎng)(形態(tài)、相結(jié)構(gòu)等可控，尺寸可調(diào)) ，研究 MEMS 微加工技術(shù)制造圖 案化硅基微米結(jié)構(gòu)方法，獲得界面結(jié)構(gòu)明確的微米、納 米構(gòu)筑單元，通 過生物組織 的自生長(zhǎng)行為的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，探索仿生制造的可能途徑；2）發(fā)展微納結(jié)構(gòu)仿生構(gòu)筑的前沿技術(shù)著重解決硅微加工工藝與納米生長(zhǎng)技術(shù)跨尺度制備的兼容性問題，按照結(jié)構(gòu)仿生原理，通過“自上而下”的微加工技術(shù)與“自下而上 ”的納米制造技術(shù)相結(jié)合的新途徑，結(jié)合仿生制造技 術(shù)，構(gòu)筑形 態(tài)、結(jié)構(gòu)、尺度可調(diào)控的硅基微納結(jié)構(gòu)；183）硅基微納結(jié)構(gòu)跨尺度按需制造研究硅基微納結(jié)構(gòu)中表面/界面效應(yīng)和尺度效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)納 米結(jié)構(gòu)在硅微結(jié)構(gòu)上定點(diǎn)定向生長(zhǎng)以及與硅界面的良好結(jié)合，研究微納結(jié)構(gòu)的一致性、生長(zhǎng)可重復(fù)性，結(jié)構(gòu)的 熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性等問題；4）硅基微納結(jié)構(gòu)器件基本性能研究根據(jù)功能仿生原理，研究微納結(jié)構(gòu)形態(tài)、排列以及其表面修飾(包括官能團(tuán)的接枝) ，與光、電、敏感等性質(zhì)的相關(guān)性， 闡明微納結(jié) 構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與其光、電、敏感功能提升的新方法。經(jīng)費(fèi)比例：20%承擔(dān)單位：中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所課題負(fù)責(zé)人：葉長(zhǎng)輝學(xué)術(shù)骨干：趙愛武、段國(guó)韜、倪林、舒春英課題 4、降噪微納結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)與制造預(yù)期目標(biāo)：以貓頭鷹皮膚和羽毛的吸振降噪機(jī)理為模仿對(duì)象，探索硅基微納米降噪結(jié)構(gòu)的制造方法和仿生途徑，建立仿生微納米結(jié)構(gòu)的可控生長(zhǎng)與自組裝方法和微納米尺度的操控手段，設(shè)計(jì) 和制造出硅基微納米結(jié)構(gòu)吸振降噪膜片，為聲隱形和環(huán)境降噪提供新手段。研究?jī)?nèi)容：1）仿照貓頭鷹皮膚降噪原理，研究硅基微米結(jié)構(gòu)與降噪的關(guān)系。在課題 2 對(duì)貓頭鷹皮膚結(jié)構(gòu)降噪機(jī)制研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)仿貓頭鷹皮膚的硅基壓電空腔微米結(jié)構(gòu)，并在課題 3 對(duì)微納結(jié)構(gòu)制作工藝研究成果的基礎(chǔ)上，加工出具有主動(dòng)控制功能的諧振腔，通 過仿真與 實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究各種硅基仿貓頭鷹皮膚結(jié)構(gòu)的降噪性能，為設(shè)計(jì)主被動(dòng)多層耦合降噪結(jié)構(gòu)提供參考依據(jù)。2）仿照貓頭鷹羽毛降噪原理，研究硅基納米絨毛形態(tài)與降噪關(guān)系。在課題 2 對(duì)貓頭鷹覆羽結(jié)構(gòu)降噪機(jī)制研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)仿貓頭鷹絨毛的硅基納米結(jié)構(gòu)，并在課題 3 對(duì)微納結(jié)構(gòu)制作工藝研究成果的基礎(chǔ)上，在硅基19微米結(jié)構(gòu)上加工出納米絨毛陣列，通過實(shí)驗(yàn)的方法研究各種工藝條件下加工出的納米絨毛陣列的降噪性能，為設(shè)計(jì)高性能微納復(fù)合降噪結(jié)構(gòu)提供理論和技術(shù)支持。3）主被動(dòng)結(jié)合、微納米復(fù)合的降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作根據(jù)上述研究成果，結(jié)合課題 3 在微納結(jié)構(gòu)制作工藝方面的研究基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并制作主被動(dòng)結(jié)合、微納米復(fù)合的硅基降噪結(jié)構(gòu)，并通過實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證其降噪特性，在此基礎(chǔ)上完成硅基微 納結(jié)構(gòu)減振降噪膜片的優(yōu)化。4）仿生降噪微納結(jié)構(gòu)的控制方法研究根據(jù)課題 2 對(duì)貓頭鷹皮膚和絨毛感知噪聲機(jī)理的研究，設(shè)計(jì)并制造硅基噪聲感知單元，并實(shí)現(xiàn)與硅基微 納結(jié)構(gòu)減振降噪膜片的單片集成。研究主動(dòng)降噪的控制方法，通過主動(dòng)感知與控制，調(diào)節(jié)壓電空腔并使其工作在諧振吸收狀態(tài)，使吸聲系數(shù)達(dá)到最大，從而提高降噪性能，同時(shí)可以有效拓寬吸聲頻率范圍。經(jīng)費(fèi)比例：15%承擔(dān)單位：中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所課題負(fù)責(zé)人：孔德義學(xué)術(shù)骨干：趙湛、孫少明、高理升、方震課題 5、仿生光導(dǎo)航微納器件的設(shè)計(jì)與制造預(yù)期目標(biāo)：以沙蟻、蜣螂、響尾蛇的視覺與控制器官為對(duì)象，探索微納結(jié)構(gòu)敏感效應(yīng)的基本規(guī)律和仿生設(shè)計(jì)途徑，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)仿真模型，借鑒沙蟻對(duì)偏光和響尾蛇對(duì)紅外熱像等微弱物理量的感知原理，在研究大面積微納光柵陣列和鏤空基底雙材料微梁陣列 FPA 制造工藝的基礎(chǔ)上，研制出硅基的偏振光導(dǎo)航微納傳感器與仿生非制冷紅外成像微納陣列，并集成為全天候光導(dǎo)航微納器件。20研究?jī)?nèi)容：1）微納尺度下的生物敏感機(jī)理與仿生原理 在課題 2 的基礎(chǔ)上，以沙蟻、響尾蛇 為對(duì)象，在微納米尺度上了解和研究生物視覺器官的敏感機(jī)理，探索利用納米材料和微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)理仿生的新途徑。并對(duì)環(huán)境中曙暮光下天空偏振光模式變化進(jìn)行建模研究，搭建天空偏振光測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多模式天空偏振光的測(cè)量， 為微納米復(fù)眼導(dǎo)航和識(shí)別器件設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。2）微納敏感器件的仿生數(shù)學(xué)模型與仿真 在課題 1 的基礎(chǔ)上，針對(duì)視覺敏感器件微納結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究、理 論分析和計(jì)算機(jī)模擬，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)仿真模型；并利用已知的光機(jī)電材料微納結(jié)構(gòu)功能特性構(gòu)建仿復(fù)眼的微納米偏振敏感模型，研究偏振光電探測(cè)陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)與微納導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)的精度、靈敏度以及時(shí)域、頻域的響應(yīng)特性關(guān)系。3）光導(dǎo)航微納敏感器件的仿生設(shè)計(jì)與制備針對(duì)仿生微納敏感器件功能需求，結(jié)合現(xiàn)有的微納結(jié)構(gòu)制造能力，設(shè)計(jì)仿沙蟻偏振光復(fù)眼導(dǎo)航器件、仿響尾蛇的非制冷紅外成像器件結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用課題 3 的工藝條件進(jìn)行工藝實(shí)施。主要根據(jù)沙蟻復(fù)眼的偏振視神經(jīng)桿桿的微納米陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)，在以上數(shù)學(xué)建模分析研究基礎(chǔ)上，通 過結(jié)構(gòu) 優(yōu)化設(shè)計(jì)出多單元多敏感方向的微納偏振光柵陣列結(jié)構(gòu)，并研究其制作工藝及與光電敏感單元的集成工藝。4）光導(dǎo)航微納電器件的檢測(cè)標(biāo)定21根據(jù)仿沙蟻偏振光導(dǎo)航器件、仿響尾蛇的非制冷紅外成像器件功能要求，研究智能信息處理方法，并建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與標(biāo)定系統(tǒng)，主要包括微納光電器件偏振光檢測(cè)平臺(tái)，為微納 光電器件設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供實(shí)驗(yàn)支撐；微弱信號(hào)檢測(cè)和增強(qiáng)技術(shù)，提高器件的性能；并對(duì)不同模式下的微納米復(fù)眼偏振導(dǎo)航器件的性能進(jìn)行測(cè)試和標(biāo)定。經(jīng)費(fèi)比例：15%承擔(dān)單位：大連理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：褚金奎學(xué)術(shù)骨干：張青川、梁海弋、王兢、崔巖課題 6、爬行機(jī)器人微納系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造預(yù)期目標(biāo)：以壁虎、昆蟲等生物的粘附爬行能力為模仿對(duì)象，運(yùn)用微納結(jié)構(gòu)力學(xué)行為模型進(jìn)行粘附、脫附、爬行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，采用仿壁虎微納粘附陣列制作工藝，提出仿生爬行機(jī)器人結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并 進(jìn)行工藝實(shí) 施。模仿 動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的CPG（Central pattern generator）模式，實(shí)現(xiàn)爬行機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主運(yùn)動(dòng)，制造出能夠在天花板上倒立爬行的仿生機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。研究?jī)?nèi)容：1）動(dòng)物運(yùn)動(dòng)分析與仿生機(jī)理研究利用自行建立的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)，研究仿生對(duì)象的運(yùn)動(dòng)行為。在課題 2 對(duì)壁虎和昆蟲粘附爬行微納結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究仿生對(duì)象的肢體和形體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為爬行機(jī)器人系 統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2）爬行機(jī)器人微納系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造22利用課題 1 建立的微納結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)工具對(duì)微納粘附陣列進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，并利用課題 3 的工藝條件進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)制作工藝實(shí)施，研制出具有微納分叉結(jié)構(gòu)的硅基微納粘附陣列。3）仿生爬行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造模仿壁虎的粘附爬行機(jī)制、昆蟲足爪抓附與跳躍機(jī)制等動(dòng)物感知、爬行、控制行為，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)仿生爬行機(jī)器人系統(tǒng)，并進(jìn)行加工制造，研制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。4）爬行機(jī)器人 CPG 控制模仿動(dòng)物運(yùn)動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其 CPG 控制模式， 實(shí)現(xiàn)微納米機(jī)器人基于力反饋和 CPG 的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)策略，使其具有在非結(jié)構(gòu)環(huán) 境下的自主運(yùn)動(dòng)能力，同 時(shí)提高效率和穩(wěn)定性。5）爬行機(jī)器人性能測(cè)評(píng)以搜救和偵察為背景，建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能測(cè)評(píng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完善測(cè)評(píng)程序和測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)， 為優(yōu)化仿生爬行機(jī)器人性能提供依據(jù)。經(jīng)費(fèi)比例：20%承擔(dān)單位：中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、南京航空航天大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：梅濤學(xué)術(shù)骨干：郭策、郭東杰、于敏、林新 華23四、年度計(jì)劃年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第一年1. 建立均勻微納結(jié)構(gòu)力學(xué)模型；微納尺度結(jié)構(gòu)的黏附力學(xué)和理論模型；微納尺度的阻尼散制和能量耗散理論模型和基于嚴(yán)格耦合波理論建立亞波長(zhǎng)光柵的分析模型；搭建激光雙光子全三維立體微納結(jié)構(gòu)加工平臺(tái)和針對(duì)微納結(jié)構(gòu)力學(xué)行為測(cè)試平臺(tái)；2. 確定和收集計(jì)劃研究的動(dòng)物種類及其研究標(biāo)本；對(duì)所選研究種類標(biāo)本的足、復(fù)眼、體表（翅表）進(jìn)行超微形態(tài)學(xué)研究；3. 深入研究納米材料單元的可控生長(zhǎng)基本方法及原理；探索仿生法生長(zhǎng)納米材料的新途徑；4. 仿照貓頭鷹皮膚降噪原理，研究硅基微米結(jié)構(gòu)與降噪的關(guān)系；5. 探索利用納米材料和微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)理仿生的新途徑;對(duì)環(huán)境中曙1. 結(jié)合壁虎足掌結(jié)構(gòu)分析黏附機(jī)理，提出仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路；提出微納結(jié)構(gòu)熱彈性耗散的連續(xù)體模型，為降噪器件設(shè)計(jì)提供理論支撐；為模型試驗(yàn)中特定結(jié)構(gòu)的試樣提供加工手段；2. 獲得一批相關(guān)結(jié)構(gòu)的微納米級(jí)形貌結(jié)構(gòu)圖及其相關(guān)功能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料；3. 建立納米材料單元的可控生長(zhǎng)基本方法和仿生納米材料制備方法；4. 研制出仿貓頭鷹皮膚的硅基微米結(jié)構(gòu)，并測(cè)試其降噪性能；5. 提出利用納米效應(yīng)和微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)仿生偏振光與紅外目標(biāo)探測(cè)的技術(shù)途徑和設(shè)計(jì)方案；建立曙暮光下天空偏振光分布模式模型；完成改進(jìn)的光學(xué)模塊制作24年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)暮光下天空偏振光模式變化進(jìn)行調(diào)研;設(shè)計(jì)制作 50 微米像素尺寸微梁陣列 FPA、光學(xué)和電子設(shè)備等；6. 針對(duì)壁虎、昆蟲等不同動(dòng)物，研究動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)行為和運(yùn)動(dòng)力學(xué)規(guī)律；研究動(dòng)物運(yùn)動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其 CPG 控制模式，發(fā)展仿生爬行機(jī)器人高可靠性虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)；設(shè)計(jì)微納粘附陣列，進(jìn)行仿生機(jī)器人微納功能結(jié)構(gòu)有限元模擬分析。和圖像采集模塊的設(shè)計(jì)；6. 建立典型動(dòng)物行為精確觀測(cè)和模擬系統(tǒng)，提供仿壁虎機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的生物學(xué)依據(jù)；構(gòu)建出壁虎運(yùn)動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) CPG 控制模式，建立仿生爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)模型；基本建立微納結(jié)構(gòu)陣列有限元模型和作用機(jī)理分析理論。第二年1. 研究復(fù)雜微納體系中長(zhǎng)程相互作用及其影響；微納米光柵結(jié)構(gòu)特性參數(shù)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和仿真及建立跨微納尺度結(jié)構(gòu)的黏附行為和分析方法；建立基于微裝配技術(shù)的微小物體高精度操縱平臺(tái)和基于單片集成 MEMS 測(cè)試芯片的高精度力學(xué)測(cè)量；2. 繼續(xù)開展體表超微形貌特征的觀1. 建立納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的模擬方法，給出計(jì)算結(jié)果；建立考慮結(jié)構(gòu)彈性變形的長(zhǎng)程相互作用模型；初步設(shè)計(jì)出可用于光導(dǎo)航傳感器多方位光柵的機(jī)構(gòu)尺寸；結(jié)合仿壁虎足掌黏附器件開展優(yōu)化設(shè)計(jì)；完成單片集成 MEMS 測(cè)試芯片的設(shè)計(jì)和初步加工；2. 獲得一批相關(guān)結(jié)構(gòu)的微納米級(jí)25年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)察、搜集，開展特征的分析和比較；開展體表（翅表）的理化成分分析；開展微力、降噪與減振、光敏與導(dǎo)航功能的測(cè)定；結(jié)合超微形態(tài)特征研究及理化成分分析結(jié)果進(jìn)行形態(tài)與功能的耦合分析；3. 在課題 1 和課題 2 提出的微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上研究硅基微納結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的綜合實(shí)驗(yàn)方法；研究納米材料與微米花樣之間的界面結(jié)構(gòu)；通過仿生方法制備形貌可控的納米材料；4. 仿照貓頭鷹羽毛降噪原理，研究硅基納米絨毛形態(tài)與降噪的關(guān)系；5. 針對(duì)視覺敏感器件微納結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和計(jì)算機(jī)模擬；研究偏振光電探測(cè)陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)與微納導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)的精度、靈敏度以及時(shí)域、 頻域的響應(yīng)特性關(guān)系；搭建天空偏振光測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多模式天空形貌結(jié)構(gòu)圖及其相關(guān)功能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料；提出 1-2 種具有高性能粘附、降噪功能的微納米形貌結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的理化指標(biāo)；3. 建立物理或化學(xué)沉積法在微米結(jié)構(gòu)花樣上生長(zhǎng)納米材料的方法;初步獲得硅基微納機(jī)構(gòu)的制造方法；建立微納結(jié)構(gòu)表征的方法，獲得界面結(jié)構(gòu)信息；揭示仿生納米材料制備實(shí)驗(yàn)參數(shù)與材料形貌的關(guān)系；4. 在硅基微米結(jié)構(gòu)上加工出納米絨毛陣列，并測(cè)試其降噪性能；5. 給出仿昆蟲復(fù)眼的偏振敏感光柵陣列結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，建立偏振敏感光柵的測(cè)角計(jì)算模型，給出羅盤神經(jīng)元譯碼及角度解算算法和軟件的仿真計(jì)算模型，以及基于時(shí)間和地理位置為參數(shù)的天空偏振模式圖的計(jì)算模型；搭建天空偏振光模式26年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)偏振光的測(cè)量；開展圖像采集模塊的軟件的開發(fā)；6. 模仿動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的 CPG 模式，展開微納米機(jī)器人基于力反饋和 CPG的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)策略研究；利用多物理耦合場(chǎng)有限元分析技術(shù)模擬分析仿生 CPG 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；探索研制具有微納分叉結(jié)構(gòu)的硅基微納粘附陣列的基本原理和方法，進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)制作新工藝實(shí)施。測(cè)試裝置 1 臺(tái)，給出初步的測(cè)試結(jié)果；完成第一代圖像采集模塊的設(shè)計(jì)制作；6. 構(gòu)建基于力反饋和 CPG 的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)策略控制系統(tǒng)分析模型，基本建立爬行機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主運(yùn)動(dòng)智能控制系統(tǒng)；提出硅基微米結(jié)構(gòu)上的納米結(jié)構(gòu)按需制造方法。第三年1. 研究微納結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與聲學(xué)特性；納米光柵中偏振光與自由電子的相互作用；應(yīng)變調(diào)控表面形態(tài)對(duì)粘附和摩擦行為的影響及非均勻微納體系力學(xué)行為的模擬方法；建立基于壓電探針原子力顯微鏡的測(cè)試平臺(tái)和典型的微納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)行為測(cè)試；2. 繼續(xù)前期工作，開展體表超微形貌特征的觀察、分析和比較研究；進(jìn)行體表（翅表）的理化性能分析；1. 建立偏振光與自由電子共振激發(fā)耦合數(shù)值模型；提出粘附器件接觸面改性的策略和理論依據(jù)；提出計(jì)及尺度效應(yīng)的非均勻微納體系相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)高效模擬方法；提供納米結(jié)構(gòu)力學(xué)行為測(cè)試手段和方法；給出典型微納結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性參數(shù)，為仿生微納設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)；2. 獲得一批相關(guān)結(jié)構(gòu)的微/納米級(jí)形貌結(jié)構(gòu)圖及其相關(guān)功能的基27年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)開展微力、降噪與減振、光敏與導(dǎo)航功能的測(cè)定；開展微納米形貌結(jié)構(gòu)及理化參數(shù)分別與粘附與脫附、降噪與減振、光敏與導(dǎo)航功能之間的耦合分析；3. 探索納米材料的定點(diǎn)和定向生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)方法；深入研究微納機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性與材料關(guān)鍵性能的依賴關(guān)系；探索微納結(jié)構(gòu)表面化學(xué)修飾的方法；探索仿生法構(gòu)筑微納結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)方法；4. 設(shè)計(jì)并制作主被動(dòng)結(jié)合、微納米復(fù)合的降噪結(jié)構(gòu)；5. 設(shè)計(jì)仿沙蟻偏振光復(fù)眼導(dǎo)航器件、仿響尾蛇的非制冷紅外成像器件結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用課題 3 的工藝技術(shù)進(jìn)行工藝實(shí)施；改進(jìn)紅外成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微梁像素和 CCD 像素1：1 光學(xué)成像，進(jìn)行新的 FPA 的紅外成像實(shí)驗(yàn)；6. 進(jìn)行爬行機(jī)器人微納粘附陣列仿礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料；3. 建立納米材料定點(diǎn)、定向生長(zhǎng)的方法，確定關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)參數(shù)；揭示微納尺度材料穩(wěn)定性的機(jī)制；建立表面化學(xué)修飾的方法，確定關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)參數(shù)；建立仿生構(gòu)筑微納結(jié)構(gòu)的基本方法；4. 設(shè)計(jì)并制作主被動(dòng)結(jié)合、微納米復(fù)合的硅基降噪結(jié)構(gòu)，并測(cè)試其降噪性能；5. 結(jié)合 MEMS 體硅加工工藝，給出仿昆蟲復(fù)眼的偏振敏感光柵制作工藝，加工制造出滿足仿生傳感器要求的光柵陣列及集成結(jié)構(gòu)；獲得 120x160 陣列的 50微米像素 FPA 及其封裝好的模塊，得到改進(jìn)的光學(xué)模塊和圖像采集模塊；6. 研制出仿生微納粘附陣列，提出其裝配和粘接中的革新工藝方案；建立爬行機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主運(yùn)動(dòng)智能控制系統(tǒng)；28年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)生設(shè)計(jì)與制備；發(fā)現(xiàn)和篩選出 4-6 種高性能微納結(jié)構(gòu)，研究非結(jié)構(gòu)環(huán)境下多微納單元融合系統(tǒng)控制技；建設(shè)仿生爬行機(jī)器人微納機(jī)械器件尺寸、形狀及性能的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)虛擬樣機(jī)并進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。基本建立爬行機(jī)器人性能測(cè)評(píng)試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)評(píng)體系。第四年1. 典型微納結(jié)構(gòu)的跨尺度分析和計(jì)算模擬；偏振光電磁場(chǎng)在亞波長(zhǎng)光柵中的尺度限制和界面效應(yīng)模型；微納結(jié)構(gòu)交接面的力學(xué)分析和設(shè)計(jì)；微納結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)粘附和理論分析；多場(chǎng)作用下微納結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)形貌模擬及多場(chǎng)耦合微納非均勻體系在外載激勵(lì)作用下的響應(yīng)；2. 開展微納米形貌結(jié)構(gòu)及理化參數(shù)分別與粘附與脫附、降噪與減振、光敏與導(dǎo)航功能之間的耦合分析；3. 研究微納結(jié)構(gòu)的化學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性；探索微納結(jié)構(gòu)表面金屬沉積1. 給出定量分析結(jié)果并與原子尺度計(jì)算結(jié)果比較；結(jié)合模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試為偏振光導(dǎo)航微納傳感器提供設(shè)計(jì)依據(jù)；為系統(tǒng)集成和設(shè)計(jì)提供依據(jù)；分析不同條件對(duì)生長(zhǎng)的影響，提出生長(zhǎng)形貌的調(diào)控思路；為微納光機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供計(jì)算和模擬手段2. 初步篩選出 2-4 種具有高性能粘附、降噪、光敏功能的微納米形態(tài)結(jié)構(gòu)；3. 建立硅基微納陣列結(jié)構(gòu)制造的基本方法，確定關(guān)鍵工藝參數(shù)；揭示微納結(jié)構(gòu)響應(yīng)行為與結(jié)構(gòu)29年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)方法及提高微納結(jié)構(gòu)光、電、化學(xué)等響應(yīng)的新方法；深入研究硅基微納陣列結(jié)構(gòu)的制造方法；4. 研究硅基微納結(jié)構(gòu)減振降噪膜片的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造方法；5. 研究智能信息處理方法，并建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與標(biāo)定系統(tǒng)，并對(duì)不同模式下的微納米復(fù)眼偏振導(dǎo)航器件的性能進(jìn)行測(cè)試和標(biāo)定；對(duì)于 FPA 需進(jìn)一步分析、改進(jìn)和完善各模塊的性能，并進(jìn)行聯(lián)調(diào)；6. 進(jìn)行多種動(dòng)物特殊微納結(jié)構(gòu)多元耦合建模分析，研究微納結(jié)構(gòu)制作工藝實(shí)施；進(jìn)行多微納結(jié)構(gòu)和器件集成及系統(tǒng)性能測(cè)試。的相關(guān)性；4. 完成硅基微納結(jié)構(gòu)減振降噪膜片的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并加工出可組裝的模塊化樣品；5. 搭建相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)，完成偏振光傳感器的標(biāo)定和性能測(cè)試，并提供偏光導(dǎo)航傳感器 1-2 套；獲得可以進(jìn)行自主熱成像的紅外仿生模塊，其指標(biāo)為 320x240 陣列的 50 微米像素 FPA，溫度分辨率達(dá)到 0.05K，模塊尺寸50x50x70mmxmmxmm；6. 開發(fā)出具有微納分叉結(jié)構(gòu)的硅基微納粘附陣列及其裝配工藝；研制出具有實(shí)驗(yàn)環(huán)境中感知、智能控制能力的微納米爬行機(jī)器人樣機(jī)。30年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第五年1. 仿生降噪微納結(jié)構(gòu)、仿生光導(dǎo)航微納結(jié)構(gòu)、仿生爬行機(jī)器人微納系統(tǒng)的分析、計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)；與原子尺度模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比較，對(duì)理論模型、跨尺度模擬方法等進(jìn)行全面總結(jié)和完善；2. 建立、優(yōu)化 2-4 種具有高性能粘附、降噪、光敏功能的微納米形態(tài)結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的生物模型和數(shù)學(xué)模型，為降噪微納結(jié)構(gòu)、光 導(dǎo)航微納器件、爬行機(jī)器人微納系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造提供仿生學(xué)基礎(chǔ)；3. 深入研究微納陣列結(jié)構(gòu)與性能的相關(guān)性；根據(jù)課題 6 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化微納結(jié)構(gòu)制造方法，改進(jìn)制造工藝；4. 研究硅基微納結(jié)構(gòu)的主動(dòng)降噪控制方法，并開展硅基降噪功能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用探索研究；5. 結(jié)合研究得到的天空偏振光分布1. 進(jìn)行仿生降噪微納結(jié)構(gòu)、仿生光導(dǎo)航微納結(jié)構(gòu)、仿生爬行機(jī)器人微納系統(tǒng)的計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)；模型預(yù)測(cè)結(jié)果能夠與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，計(jì)算方法與原子尺度的原始算法比較偏差小于 10%、計(jì)算效率提高 10 倍以上；2. 確立 4-6 種具有高性能粘附、降噪、光敏功能的微納米形態(tài)結(jié)構(gòu)及其理化性能的生物模型；3. 建立幾種在硅基片表面形成特定微納結(jié)構(gòu)的基本工藝流程，確定關(guān)鍵工藝參數(shù)；定性描述微納陣列結(jié)構(gòu)粘附性能與材料種類、尺寸、形貌、表面特性等的依賴關(guān)系；4. 吸振系數(shù)最大提高 20%；5. 搭建偏振光導(dǎo)航傳感器測(cè)試移動(dòng)平臺(tái)及綜合演示系統(tǒng)一套；6. 研制出具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主運(yùn)動(dòng)能力的仿生機(jī)器人樣機(jī)；提出仿生爬行機(jī)器人微納系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制與檢測(cè)基本理論體系；31年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)規(guī)律，搭建自主移動(dòng)平臺(tái)，開展導(dǎo)航精度測(cè)量和初步的導(dǎo)航試驗(yàn)應(yīng)用；6. 進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能測(cè)評(píng)實(shí)驗(yàn)，完善測(cè)評(píng)程序和測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)仿生爬行機(jī)器人設(shè)計(jì)；研究微納米器件制備和組裝技術(shù)和機(jī)器人微納功能器件實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)；構(gòu)建仿生微納結(jié)構(gòu)、器件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本理論；7. 進(jìn)行系統(tǒng)總體分析，給出實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告撰寫結(jié)題報(bào)告，進(jìn)行課題總結(jié)。7. 進(jìn)行系統(tǒng)總體分析，給出實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告。32一、研究?jī)?nèi)容關(guān)鍵科學(xué)問題：1、微納結(jié)構(gòu)光機(jī)電特性的尺度效應(yīng)與建模深入認(rèn)識(shí)微納結(jié)構(gòu)的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)基本性質(zhì)與尺度效應(yīng)，及其光機(jī) 電耦合特性。在計(jì)算機(jī)模擬和物理 實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立能夠正確反映尺度效應(yīng)的微納結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)和光機(jī)電響應(yīng)的實(shí)用理論模型，為生物結(jié)構(gòu)功能機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)奠定理論基礎(chǔ)， 為微納光機(jī)電結(jié) 構(gòu)、器件與系 統(tǒng)提供有效的分析、設(shè)計(jì)工具。2、生物特殊功能與其微納組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系及仿生機(jī)理針對(duì)壁虎、沙蟻、蜣螂、貓頭鷹等生物在爬行、導(dǎo)航及降噪方面的特種功能結(jié)構(gòu)及其感知、控制、執(zhí)行能力，深入研究其與生物微 納組織形態(tài)的關(guān)系，進(jìn)一步揭示生物功能效應(yīng)機(jī)理， 發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵的微納功能結(jié)構(gòu)，為微納光機(jī)電結(jié)構(gòu)、器件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供仿生思路。3、硅基微米結(jié)構(gòu)上的納米結(jié)構(gòu)按需制造方法揭示納米結(jié)構(gòu)制造技術(shù)與硅微加工技術(shù)相結(jié)合中，硅基微納結(jié)構(gòu)跨尺度制造的表面/界面效應(yīng)和尺度效應(yīng)，解決硅微加工工 藝 與基于物理、化學(xué)原理的納米制造工藝之間的跨尺度工藝兼容性問題，研究微納結(jié)構(gòu)的仿生制造原理，為微納光機(jī)電系統(tǒng)制造中跨尺度微納結(jié)構(gòu)與器件的集成制造提供工藝基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容：本項(xiàng)目將系統(tǒng)地針對(duì)微納光機(jī)電系統(tǒng)的仿生原理、設(shè)計(jì)理論和制造方法開展研究。首先，將從微納尺度效應(yīng)分析入手，建立微納結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，為微納光機(jī)電系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。同 時(shí)，在微 納光機(jī)電系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)思路方面借鑒生物奇妙的微納結(jié)構(gòu)，為微納光機(jī) 電系統(tǒng)提供創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路。然后， 針對(duì)微納系統(tǒng)制造中的關(guān)鍵工藝開展硅基納米結(jié)構(gòu)按需制造方法研究，為實(shí)現(xiàn)微納集成制造提供工藝基礎(chǔ)。最后，從微納功能結(jié)構(gòu)、器件和系 統(tǒng)三個(gè) 層次建立仿生設(shè)計(jì)與制造方法，并制作出降噪微納結(jié)構(gòu)、光導(dǎo)航微納器件、爬行機(jī)器人微納系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)本項(xiàng)目發(fā)展的仿生設(shè)計(jì)與制造方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)為減振降噪、自主導(dǎo)航和救援偵察提供新型光機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。1、微納結(jié)構(gòu)的功能特性與數(shù)學(xué)模型采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究典型微納結(jié)構(gòu)的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)特性，建立描述微納結(jié)構(gòu)尺度效應(yīng)和相互作用特性的基本理 論和模型。針對(duì) 生物降噪結(jié)構(gòu)、粘附爬行和熱變形結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合數(shù)值模擬和原理實(shí)驗(yàn)，研究機(jī)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)下微 納結(jié)構(gòu)的主動(dòng)變形和力學(xué)行為，為研制硅基降噪微納結(jié)構(gòu)膜片、紅外敏感結(jié)構(gòu)和微 納粘附陣列提供設(shè)計(jì)依據(jù)。研究納米光柵中偏振光33與自由電子共振激發(fā)耦合數(shù)值模型，建立偏振光電磁場(chǎng)在亞波長(zhǎng)光柵中的尺度限制和界面效應(yīng)理論模型，結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，為偏振光導(dǎo)航微納傳感器提供設(shè)計(jì)依據(jù)?；谖⒔M織演化動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)，利用分子動(dòng)力學(xué)和相場(chǎng)模擬方法，表征微納尺度材料的本構(gòu)關(guān)系，建立其精 細(xì)結(jié)構(gòu)形貌形成、 穩(wěn)定性、演化與組裝的相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)分析工具，為納米結(jié)構(gòu)的按需制造提供工藝設(shè)計(jì)參考。2、生物組織的微納結(jié)構(gòu)與仿生機(jī)理研究壁虎腳趾和部分昆蟲（如葉甲、蟬類）足跗節(jié)的微納形貌結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及其行為學(xué)、運(yùn)動(dòng)力學(xué)、粘附和脫附機(jī)理， 認(rèn)識(shí)不同 動(dòng)物物種之間粘附和脫附功能的差異和優(yōu)化途徑，揭示各種形態(tài)的微米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)對(duì)粘附和脫附性能的影響，為研制具有“強(qiáng)吸附”和“易脫附” 性能仿生粘附陣列提供仿生學(xué)理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)。研究沙蟻、蜣螂、響尾蛇等生物敏感器官的超微結(jié)構(gòu)，揭示這些生物在日光、月光、紅 外光條件下的光導(dǎo)航機(jī)理，及其與微納結(jié)構(gòu)的關(guān)系，為設(shè)計(jì)能夠在日光、月光和黑暗環(huán)境下工作的自主導(dǎo)航器件提供理論基礎(chǔ)。研究貓頭鷹翼表面形態(tài)及其絨毛微納結(jié)構(gòu)及其降噪、減阻特性，利用逆向工程方法，提取貓頭鷹翼表面形態(tài)與構(gòu)型中的降噪特征元素，為研制跨尺度減振降噪提供設(shè)計(jì)參考。3、硅基微納結(jié)構(gòu)的按需制造方法探索硅基微納結(jié)構(gòu)跨尺度制造的表面/界面效應(yīng)和尺度效 應(yīng)，實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)在硅微結(jié)構(gòu)上定點(diǎn)、定向生 長(zhǎng)以及與硅界面的良好結(jié)合，為按需制造微納結(jié)構(gòu)提供工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。研究微納結(jié) 構(gòu)形態(tài)、排列及其表面修飾（包括官能團(tuán)的接枝）與光電性質(zhì)的相關(guān)性，闡明微 納結(jié)構(gòu)演變與其光電功能形成的關(guān)系，為微納光柵和紅外光敏感結(jié)構(gòu)制作提供工藝條件。研究硅基微米結(jié)構(gòu)在納米結(jié)構(gòu)制作工藝條件下的變化規(guī)律，以及納米 結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性、化學(xué) 穩(wěn) 定性及環(huán)境敏感性等問題，著重解決硅微加工與納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的工藝兼容性。建立若干種典型微納結(jié)構(gòu)制造的工藝流程，為硅基微納結(jié) 構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并為實(shí)現(xiàn)微納集成制造提供工藝基礎(chǔ)。并通過對(duì)生物 組織自生長(zhǎng)行為的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，探索仿生制造的可能途徑。4、仿生微納光機(jī)電結(jié)構(gòu)、器件與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造與驗(yàn)證根據(jù)貓頭鷹體表結(jié)構(gòu)及其與降噪機(jī)制的關(guān)系，運(yùn)用微納結(jié)構(gòu)建模方法建立降噪功能結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合硅基微納結(jié)構(gòu)按需制造工藝流程，提出跨尺度降噪結(jié)構(gòu)34設(shè)計(jì)方案。綜合分析降噪結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)和工藝方案的成熟性，以降噪效果為目標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，并實(shí)際制作出硅基微納仿生降噪膜片。綜合利用沙蟻和蜣螂的日光、月光偏振光導(dǎo)航機(jī)理，以及響尾蛇的紅外目標(biāo)探測(cè)機(jī)理，提出全天候光導(dǎo) 航器件的設(shè)計(jì)方案。采用微納光柵和紅外光敏感陣列制作工藝， 進(jìn)行集成化硅基光 導(dǎo)航器件微納制造工藝設(shè)計(jì)，在充分考慮與光電器件工藝兼容性的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并制作出仿生光導(dǎo)航微納器件。以壁虎、昆蟲等生物的粘附爬行能力為模仿對(duì)象，運(yùn)用微納結(jié)構(gòu)力學(xué)行為模型進(jìn)行粘附、脫附、爬行運(yùn)動(dòng)分析，采用仿壁虎微 納 粘附陣列制作工藝，提出仿生爬行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行工藝實(shí)施。模仿動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的 CPG（Central pattern generator）模式， 實(shí)現(xiàn)爬行機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主運(yùn)動(dòng)，制造出能夠進(jìn)入窄小空間、任意方位爬行的仿生機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。