撰稿|由课题组供稿
‘Single-Step-Lithography Micro-Stepper Based on Frictional Contact and Chiral Metamaterial’
Xiaojun Tan, Julio Andrés Iglesias Martínez, Gwenn Ulliac, Bing Wang, Linzhi Wu, Johnny Moughames, Marina Raschetti, Vincent Laude, Muamer Kadic
DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202202128
在过去的几个世纪里，接触式机械一直扮演着至关重要的角色，从蒸汽机到精密机械，尤其是在制表行业。在宏观层面上，驱动机制和由此产生的精度要求几十年来一直在提高；现在，对于宏观（比如说，厘米）零件，通常要求至少有微米级精度，汽车发动机就是一个很好的例子。但当涉及到小尺寸机构时，获得和组装此类系统非常复杂，因为精度必须相应缩放。
在微观和纳米尺度上，对复杂机械系统的尝试大致可分为两种技术途径。一种是化学或生物机器人，它们没有明显的传统机械结构。通过物理场或自驱模式，可以实现某些特定功能，如药物递送等。另一种途径是通过先进制造和微装配技术实现复杂机械系统的小型化。然而，目前由于难以满足零件精度要求，几乎不可能在微型尺度上实现多零件的复杂结构，如机械发动机等。
本研究为克服微尺度复杂机械系统对零件成型精度要求的限制，受手性力学超材料（压扭超材料）启发，设计了一种新型微尺度步进器，并通过单步光刻工艺进行了结构制备。通过轴向加卸载驱动，结合锁定结构，该微尺度步进器实现了步进角为7.5°的步进旋转效果。在试验中，实现了极好的可重复性。此外，类似的机构可以在微尺度上广泛使用，例如集成到更复杂的设计中，以提供平移和旋转自由度。
步进器的工作原理如图1所示。图1(a)给出了步进器的结构示意图，主要包括手性结构，棘轮，棘爪以及支撑框架等部分。棘轮与其余结构部分分离，属于单独的零件。当结构顶部收到压缩载荷作用，手性结构会发生压扭效应，进而驱动棘轮旋转，当压缩载荷释放时，由于棘爪的作用，棘轮会保持旋转后状态，而结构其余部分将恢复初始状态，如图1（b）所示。在循环加卸载作用下，结构会实现持续的步进旋转效果。
图1 步进器的工作原理
结构示意图GIF1
效果演示GIF2
经单步光刻工艺制备的微尺度步进器的SEM成像如图2所示，该机械系统最大特征尺寸小于200微米，最小结构尺寸约为1微米。结构系统制备的最大难点在于，该结构为多个零件组成的多体系统，棘轮被嵌入在支撑和驱动框架中，但又需要与支撑和驱动框架完全分离。为了防止棘轮与框架结构粘接而导致试验失败，该工作从结构设计、制备工艺等方面做了大量尝试，具体参见研究原文。
图2. 微尺度步进器的SEM成像
使用自制的光学装置对样品的旋转步进效果进行了表征（见实验部分）。图3给出了单轴压缩载荷下结构的旋转步进结果。旋转步进器的俯视图如图3b所示， 在每个光学图像中，红色箭头指示键槽的实时位置。可以清楚地看到，箭头一直在旋转。
图3. 试验测试结果
图4分析了加载位移大小、摩擦系数及结构的主要几何参数对旋转步进器旋转效果的影响。首创了一种微尺度结构摩擦系数测试方案，见原文补充材料，并准确预报了微尺度结构的摩擦系数范围。作者强调，微步进器是通过单步光刻工艺进行制备的。在这方面，单个STL文件是制造的唯一要求。在研究过程中，作者对设计进行了多次制备和测试来观察结果的重复性和再现性。
图4. 参数影响分析。
这项工作受手性力学超材料的启发，设计了一种新型的微尺度步进器，并通过单步光刻工艺进行了制备。该工作通过对力学超材料的创新应用，规避了复杂驱动系统对零件局部精度的苛刻要求，验证了在微尺度范围设计步进器的可行性。
哈尔滨工业大学 复合材料与结构研究所王兵 教授和法国FEMTO-ST研究所Muamer Kadic副教授为本文通讯作者。谭小俊博士为本文第一作者。该研究由国家自然科学基金和国家留学基金管理委员会等资助完成。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202202128
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