【基金标书】2011CB302100-微纳光机电系统的仿生设计与制造方法

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： 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。 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%。 3 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 ，红外探测分辨率优于 4 三、研究方案 1、学术思路 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。 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。硅集成电路技术和微加工技术已经非常成熟，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一5 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较，以提取纳米结构适宜于采用连续介质模型描述的特征，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 法刻蚀技术为主，与纳米压印技术、聚焦离子束直写技术合理组合，在硅基材料上获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。 6 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 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。 在硅基上可采用 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 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优化。 生物光敏感器官的微纳结构与导航系统研究 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 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7 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（ 3 4 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（ 透射电子显微镜（ 察生物体表及内部组织的微米 /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（ 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。 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动物运动神经网络结构及其运动行为的 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。 8 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 3、创新性与特色： 本项研究最具特色的是，系统地将仿生学运用于微纳光机电系统的设计和制造中，为研制新型微纳光机电系统提供创新思路，也将有可能产生新的发现，获得具有原创性的知识创新成果 。 基于 “ 自下而上 ” 的技术路线，通过 “ 自上而下 ” 手段获得所需结构与器件的构筑模板、借助模板自组装集成的思路，结合仿生构筑原理，可望发展微纳结构及器件的新构筑原理与技术，实现按需和可控构筑各种硅基微纳结构。 借鉴猫头鹰等动物皮肤和覆羽的吸振降噪机理，设计和制造出硅基降噪微纳结构膜片，为声隐形和环境降噪提供新手段。 借鉴生物偏振日光、偏振月光导航定位和红外目标探测机理，研制全天候光导航器件，发展高精度自主导航系统。 以壁虎、甲虫等动物的感知、控制与爬行能力为模仿对象，研制出能够在天花板上倒立爬行的仿生机 器人，发展新型救援侦察装备。 4、取得重大突破的可行性分析： 微纳光机电系统技术与仿生学的大幅度学科交叉，将国内不同领域中一流研究单位的三十位科研骨干集中到一个研究团队，在项目申请的研讨过程中已经碰撞出许多思想的火花，为产生原始创新搭建了一个良好的研究平台。这种通过大幅度学科交叉来解决微纳光机电系统的关键科学问题和技术难关的方式，很有可能在以下几个方面取得重大突破。 （ 1） 将理论与实验相结合，有可能 实现微纳光机电系统设计方法学上的突破 ； 目前人们对纳米结构的了解还处于起步阶段，尚不能进行全面测试，因此 我们采用理论与实验相结合的方法来进行研究。借助于超级计算机，人们已经实现了对包含 10 亿个原子系统的行为进行详细的原子尺度计算和模拟。借助于微纳制造工艺我们可以实现对特定微纳结构的按需制造，为验证理论计算的正确性提供实验样本。这些方法为微纳尺度效应的认识提供了有力的工具，借助于我们建立的实验研究平台和已有的大型计算能力，将使我们能够对仿生微纳结构的光机电特性进行数学描述和实验验证。将仿生设计原理、按需生长工艺、跨尺度分析模拟等先进的思想方法融为一体，最大可能地发挥微纳协同作用，将有可能实现微纳光机电系统设计方 法学上的突破。 （ 2）从微纳结构的角度对生物功能组织进行研究，有可能发现新的生物现象； 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 立数学模型 选择优化结构 9 本项目组在前期研究中，发现目前生物学界对感觉器官的研究重点在神经处理机制方面，而对生物感觉器官微纳结构与光机电功能的关系研究比较薄弱。其原因可能是两个方面，一是对了解生物感觉器官微纳结构的需求不足，二是目前生物学研究单位缺乏微纳技术手段。本项目由于机理仿生和组织仿生的需要，对生物学家提出了在微纳尺度上重新认识生物器官和组织的要求，同时我们又建立了微纳结构制作手段，这将有可能导致新的生物光机电效应的发现， 为微纳光机电系统研制提供新的借鉴。这种新发现是对人类认识自然的贡献，将得到国际科学界足够重视，壁虎微纳结构与粘附机理的发现就是很好的例子。 （ 3）通过结构仿生实现功能仿生，能够攻克微纳光机电系统的技术难关。 在硅基微纳结构制造方面，建立 “ 自上而下 ” 和 “ 自下而上 ” 微纳结构组合制造工艺流程，有望实现微纳结构的按需制造，通过结构仿生实现功能仿生。本项目以猫头鹰、沙蚁、蜣螂、响尾蛇、壁虎等生物微纳结构为模仿对象，将借助硅基微纳结构按需制造工艺制作出与生物组织相似的结构，从而获得与生物相似的功能，为攻克降噪微纳结构 、光导航微纳器件、爬行机器人微纳系统中的技术难关另辟蹊径，发明出三种具有自主知识产权的新型微纳光机电系统。 10 课题设置 各课题间相互关系 本项目将系统地针对微纳光机电系统的设计理论、仿生原理和制造方法开展研究，因此首先设立了三个课题： 微纳结构的功能特性与数学模型 为微纳光机电系统提供设计依据；生物组织的微纳结构与仿生机理 为微纳光机电系统提供创新设计思路；硅基微纳结构的按需制造方法 为微纳光机电系统提供工艺基础。 然后，运用前面三个课题发展出来的设计依据、仿生思路和工艺基础，从微纳功能结构、器件和系统三 个层次进行实验验证，因此设立了后面三个应用目标明确的课题： 降噪微纳结构的仿生设计与制造；仿生光导航微纳器件的设计与制造；爬行机器人微纳系统的设计与制造。这六个课题形成了纵横交叉的立体研究结构，系统、全面地解决微纳光机电系统的关键科学问题， 同时为减振降噪、自主导航和救援侦察等应用领域提供新型光机电系统样机。 图 10 各课题之间的相互依存关系 课题一： 微纳结构的功能特性与数学模型 课题三： 硅基微纳结构的按需制造方法 课题二： 生物组织的微纳结构与仿生机理 设计思路 设计依据 工艺基础 课题五： 光导航微 纳器件 课题四： 降噪微纳结构 实验样机 课题六 ： 爬行机器人微纳系统 11 课题 1、微纳结构的功能特性与数学模型 预期目标： 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 纳米结构分析方法，建立典型微纳米结构形成、组装和多场耦合响应的理论模型，为本项目涉及的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。 研究内容： 1） 搭建微纳结构操作和测试平台 建立激光双光子全三维立体微纳结构加工平台，基于微装配技术的微小物体高精度操纵平台，以及基于压电探针 原子力显微镜的纳米力学测试平台；建立 以单片集成 试芯片实现加载与力学参数高精度测量的微结构操作系统与光、机、电性能测试平台等。 2）建立微纳结构力学行为的跨尺度理论模型 从第一性原理研究原子间相互作用规律，提出势函数表达式； 结合大规模分子动力学模拟，揭示不同纳米结构因空间尺寸束缚导致的尺度效应；针对微、纳不同尺度的变形特征发展微纳结构力学行为的跨尺度模型，并通过与相关实验及分子动力学模拟比较确定模型参数，实现从纳米到微米尺度的跨越；与实验结合，定量研究猫头鹰体表和壁虎足掌微纳结构的减振降噪和粘结攀爬功能机理。 3）建立微纳结构光电行为的跨尺度理论模型 研究偏振光与自由电子共振激发耦合数值模拟方法，建立偏振光电磁场在亚波长纳米光栅中的尺度限制和界面效应理论模型；应用矩阵子空间投影等模型降阶算法并通过缩聚连续介质域自由度，实现微纳 结构光电响应的多尺度模拟和静、动态仿真；结合数值模拟和实验测试结果，从微纳结构层次研究沙蚁对偏振光和响尾蛇对红外热像的敏感机理。 4）发展微纳结构形貌演化和生长的模拟方法 基于微组织演化动力学观点，借助于跨尺度模型和相场模拟，表征微纳米尺度材料的本构关系，建立其精细结构形貌形成、稳定性、演化与生长的相场动力学分析工具；结合具体系统，模拟硅微结构上纳米结构的形貌演化，为实现定点定向可控生长提供理论参考。 5）开展微纳光机电系统的优化设计 将所发展的理论模型和模拟方法与降噪微纳结构膜片、光导航微纳器件和爬行机器 人微纳系统相结合，开展结构优化设计与可靠性分析。 12 经费比例： 15% 承担单位： 中国科学技术大学、大连理工大学 课题负责人： 何陵辉 学术骨干： 、褚家如、倪勇、邹赫麟、金仁成 课题 2、生物组织的微纳结构与仿生机理 预期目标： 本课题拟对具有独特攀爬、光导航及降噪与减振功能的多种生物（包括壁虎、猫头鹰、甲虫、苍蝇、蝉类等）特殊体表的微纳米结构开展研究，对体表微米及纳米级超微结构的形貌进行观察、搜集、描记和分析，从功能形态学、进化生物学及物理化学的角度，探讨体表微纳米结构和表面化学成分对生物粘附与脱附、降噪与 减振及光敏与导航功能的耦合关系，比较不同生物在各项功能上的特点、共性和不同之处，期望发现和筛选出 4 6 种具有高性能粘附、降噪、光敏功能的微纳米形态结构，为降噪微纳结构、光导航微纳器件、爬行机器人微纳系统的设计与制造提供仿生学基础。 研究内容： 1） 生物组织微纳结构的运动力学特性研究 研究壁虎、苍蝇和甲虫 脚（足）掌与接触面之间的 接触粘附、触觉感知和运动控制机制，为仿生机器人的全方位、无障碍爬行机构设计提供生物学原型。采用环境扫描电子显微镜、透射显微镜等技术，对其 脚趾和 足表的表面特征、微纳形态结构进行观察、比较和 分析，结合力学、化学、物理学的分析手段，探讨运动及静止过程中 脚趾及 足与固体 接触面之间的接触力学规律、 粘附机理、生物学特性及其仿生意义。 2）生物组织微纳结构的仿生机理研究 研究足表面微纳米结构和化学成分对粘附性能的耦合关系，发现和筛选出具有强粘附力的微纳米形态结构，建立优化模型，为 仿生爬壁机器人及工作于各种复杂环境下的其它特种机器人以及 高性能粘附材料与机械的设计及制造提供仿生学的理论依据和实践支持。 3）生物视觉器官的微纳结构与仿生机理研究 以沙蚁、蜣螂为对象，研究其复眼、小眼的形态和结构，重点是超微形态结构和组织细胞学结构，研究沙蚁利用大气太阳光和蜣螂利用夜晚月光散射的偏振模式进行导航和定位的机理，为满足室外全天候、高精度的新的微型导航定位系统的设计与制造提高仿生学思路。 4）生物皮毛微纳结构与降噪机理的研究 13 研究猫头鹰翅表羽毛及其绒毛表面形态的微纳结构，分析其消声、吸波、降噪、减阻及减振等特殊功能的特性与机理，为减振降噪微纳米结构的设计与制造提供思路。 经费比例： 15% 承担单位： 中国科学院动物研究所、中国科学院合肥物质科学研究院 课题负责人： 梁爱萍 学术骨干： 屈延华、梁红斌、孔斌、黄炫 课题 3、硅基 微纳结构的按需制造方法 预期目标： 本课题拟针对 跨微纳尺度加工的按需制造与工艺兼容性难点，系统研究硅基微纳结构仿生构筑新原理， 开拓和发展拥有自主知识产权的 微 纳结构的仿生 构筑技术，建立 微 纳结构仿生构筑的新方法，实现按需构筑若干种 硅基 微纳结构； 获得以仿生原理为基础的硅基 微 纳结构器件， 为其他相关课题组提供 微 纳结构器件制造工艺流程 。 研究内容： 1）探索微纳结构单元按需制造方法 研究纳米尺度空间的材料物理化学，实现纳米结构可控生长 (形态、相结构等可控，尺寸可调 )，研究 加工技术制造图案化硅基微米结构方法， 获得界面结构明确的微米、纳米构筑单元，通过生物组织的自生长行为的规律性认识，探索仿生制造的可能途径； 2）发展微纳结构仿生构筑的前沿技术 着重解决硅微加工工艺与纳米生长技术跨尺度制备的兼容性问题，按照结构仿生原理，通过 “ 自上而下 ” 的微加工技术与 “ 自下而上 ” 的纳米制造技术相结合的新途径，结合仿生制造技术，构筑形态、结构、尺度可调控的硅基微纳结构； 3）硅基微纳结构跨尺度按需制造 研究硅基微纳结构中表面 /界面效应和尺度效应，实现纳米结构在硅微结构上定点定向生长以及与硅界面的良好结合，研究微纳结构的一致性、生长可 重复性，结构的热稳定性、化学稳定性等问题； 4）硅基微纳结构器件基本性能研究 根据功能仿生原理，研究微纳结构形态、排列以及其表面修饰 (包括官能团的接枝 )，与光、电、敏感等性质的相关性， 阐明微纳结构优化设计与其光、电、敏感功能提升的新方法 。 14 经费比例： 20% 承担单位： 中国科学院合肥物质科学研究院、中国科学院化学研究所 课题负责人： 叶长辉 学术骨干： 赵爱武、段国韬、倪林、舒春英 课题 4、降噪微纳结构的仿生设计与制造 预期目标： 以猫头鹰皮肤和羽毛的吸振降噪机理为模仿对象，探索硅基微纳米降噪结构的制造方法和仿生途径，建立仿生微纳米结构的可控生长与自组装方法和微纳米尺度的操控手段，设计和制造出硅基微纳米结构吸振降噪膜片，为声隐形和环境降噪提供新手段。 研究内容： 1）仿照猫头鹰皮肤降噪原理，研究硅基微米结构与降噪的关系。 在课题 2 对猫头鹰皮肤结构降噪机制研究成果的基础上，设计仿猫头鹰皮肤的硅基压电空腔微米结构，并在课题 3 对微纳结构制作工艺研究成果的基础上，加工出具有主动控制功能的谐振腔，通过仿真与实验相结合的方法，研究各种硅基仿猫头 鹰皮肤结构的降噪性能，为设计主被动多层耦合降噪结构提供参考依据。 2）仿照猫头鹰羽毛降噪原理，研究硅基纳米绒毛形态与降噪关系。 在课题 2 对猫头鹰覆羽结构降噪机制研究成果的基础上，设计仿猫头鹰绒毛的硅基纳米结构，并在课题 3 对微纳结构制作工艺研究成果的基础上，在硅基微米结构上加工出纳米绒毛阵列，通过实验的方法研究各种工艺条件下加工出的纳米绒毛阵列的降噪性能，为设计高性能微纳复合降噪结构提供理论和技术支持。 3）主被动结合、微纳米复合的降噪结构设计与制作 根据上述研究成果，结合课题 3 在微纳结构制作工艺方面的研究基 础，设计并制作主被动结合、微纳米复合的硅基降噪结构，并通过实验手段验证其降噪特性，在此基础上完成硅基微纳结构减振降噪膜片的优化。 4）仿生降噪微纳结构的控制方法研究 根据课题 2 对猫头鹰皮肤和绒毛感知噪声机理的研究，设计并制造硅基噪声感知单元，并实现与硅基微纳结构减振降噪膜片的单片集成。研究主动降噪的控制方法，通过主动感知与控制，调节压电空腔并使其工作在谐振吸收状态，使吸声系数达到最大，从而提高降噪性能，同时可以有效拓宽吸声频率范围。 15 经费比例： 15% 承担单位： 中国科学院合肥物质科学研究院、中国科学院 电子学研究所 课题负责人： 孔德义 学术骨干： 赵湛、孙少明、高理升、方震 课题 5、仿生光导航微纳器件的设计与制造 预期目标： 以沙蚁、蜣螂、响尾蛇的视觉与控制器官为对象，探索微纳结构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，借鉴沙蚁对偏光和响尾蛇对红外热像等微弱物理量的感知原理，在研究大面积微纳光栅阵列和镂空基底双材料微梁阵列 造工艺的基础上，研制出硅基的偏振光导航微纳传感器与仿生非制冷红外成像微纳阵列，并集成为全天候光导航微纳器件。 研究内容： 1）微纳尺度下的生物敏感机 理与仿生原理 在课题 2 的基础上，以沙蚁、响尾蛇为对象，在微纳米尺度上了解和研究生物视觉器官的敏感机理，探索利用纳米材料和微纳结构进行机理仿生的新途径。并对环境中曙暮光下天空偏振光模式变化进行建模研究，搭建天空偏振光测试系统，实现多模式天空偏振光的测量，为微纳米复眼导航和识别器件设计提供理论指导。 2）微纳敏感器件的仿生数学模型与仿真 在课题 1 的基础上，针对视觉敏感器件微纳结构特点，进行实验研究、理论分析和计算机模拟，建立相应的数学模型和系统仿真模型；并利用已知的光机电材料微纳结构 功能特性构建仿复眼的微纳米偏振敏感模型，研究偏振光电探测阵列的结构参数与微纳导航传感器系统的精度、灵敏度以及时域、频域的响应特性关系。 3）光导航微纳敏感器件的仿生设计与制备 针对仿生微纳敏感器件功能需求，结合现有的微纳结构制造能力，设计仿沙蚁偏振光复眼导航器件、仿响尾蛇的非制冷红外成像器件结构，并应用课题 3的工艺条件进行工艺实施。主要根据沙蚁复眼的偏振视神经杆杆的微纳米阵列结构参数，在以上数学建模分析研究基础上，通过结构优化设计出多单元多敏感方向的微纳偏振光栅阵列结构，并研究其制作工艺及与光电敏感单元的集 成工艺。 4）光导航微纳电器件的检测标定 根据仿沙蚁偏振光导航器件、仿响尾蛇的非制冷红外成像器件功能要求，研究智能信息处理方法，并建立相应的实验测试与标定系统，主要包括微纳光电器件偏振光检测平台，为微纳光电器件设计和改进提供实验支撑；微弱信号检测和16 增强技术，提高器件的性能；并对不同模式下的微纳米复眼偏振导航器件的性能进行测试和标定。 经费比例： 15% 承担单位： 大连理工大学、中国科学技术大学 课题负责人： 褚金奎 学术骨干： 张青川、梁海弋、王兢、崔岩 课题 6、爬行机器人微纳系统的设计与制造 预期目标： 以 壁虎、昆虫等生物的粘附爬行能力为模仿对象，运用微纳结构力学行为模型进行粘附、脱附、爬行运动学与动力学分析，采用仿壁虎微纳粘附阵列制作工艺，提出仿生爬行机器人结构设计方案，并进行工艺实施。模仿动物运动的 式，实现爬行机器人在非结构环境下的自主运动，制造出能够在天花板上倒立爬行的仿生机器人系统实验样机。 研究内容： 1）动物运动分析与仿生机理研究 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。在课题 2对壁虎和昆虫粘附爬行微纳结构研究的基础上 ，进一步研究仿生对象的肢体和形体运动规律，为爬行机器人系统设计提供依据。 2）爬行机器人微纳系统设计与制造 利用课题 1 建立的微纳结构分析、设计工具对微纳粘附阵列进行仿生设计，并利用课题 3 的工艺条件进行微纳结构制作工艺实施，研制出具有微纳分叉结构的硅基微纳粘附阵列。 3） 仿生爬行机器人系统设计与制造 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，采用虚拟样机技术设计仿生爬行机器人系统，并进行加工制造，研制出实验样机。 4）爬行机器人 制 模仿动物运动神经网络结构及其 制模式 ，实现微纳米机器人基于力反馈和 运动协调策略，使其具有在非结构环境下的自主运动能力，同时提高效率和稳定性。 5）爬行机器人性能测评 17 以搜救和侦察为背景，建立机器人运动性能测评实验平台，完善测评程序和测评标准，为优化仿生爬行机器人性能提供依据。 经费比例： 20% 承担单位： 中国科学院合肥物质科学研究院、南京航空航天大学 课题负责人： 梅涛 学术骨干： 郭策、郭东杰、于敏、林新华 18 四、年度计划 年度 研究内容 预期目标 第 一 年 1. 建立 均匀微纳结构力学模型； 微纳尺度结构的黏附力学和理论模型；微纳尺 度的阻尼散制和能量耗散理论模型 和 基于严格耦合波理论建立亚波长光栅的分析模型 ； 搭建 激光双光子全三维立体微纳结构加工平台 和 针对微纳结构力学行为测试平台 ； 2. 确定和收集计划研究的动物种类及其研究标本； 对所选研究种类标本的足、复眼、体表（翅表）进行超微形态学研究 ； 3. 深入研究纳米材料单元的可控生长基本方法及原理 ； 探索仿生法生长纳米材料的新途径 ； 4. 仿照猫头鹰皮肤降噪原理，研究硅基微米结构与降噪的关系 ； 5. 探索利用纳米材料和微纳结构进行机理仿生的新途径 ;对环境中曙暮光下天空偏振光模式变化进行调研 ;设计制作 50 微米像素尺寸微梁 阵列 学和电子设备等； 6. 针对壁虎、昆虫等不同动物，研究动物的运动行为和运动力学规律；研究 动物运动神经网络结构及其 制模式 ，发展仿生爬行机器人高可靠性虚拟样机设计技术；设计微纳粘附阵列，进行仿生 机器人微纳 功能 结构有限元模拟分析 。 1. 结合壁虎足掌结构分析黏附机理，提出仿生结构优化设计思路； 提出微纳结构热弹性耗散的连续体模型，为降噪器件设计提供理论支撑； 为模型试验中特定结构的试样提供加工手段； 2. 获得一批相关结构的微纳米级形貌结构图及其相关功能的基础数据资料； 3. 建立纳米材料单元的可控生长基本方法 和仿 生纳米材料制备方法； 4. 研制出仿猫头鹰皮肤的硅基微米结构，并测试其降噪性能 ； 5. 提出利用纳米效应和微纳结构实现仿生偏振光与红外目标探测的技术途径和设计方案；建立曙暮光下天空偏振光分布模式模型；完成改进的光学模块制作和图像采集模块的设计； 6. 建立典型动物行为精确观测和模拟系统，提供仿壁虎机器人机构设计的生物学依据；构建出壁虎运动神经网络 制模式 ，建立仿生爬行机器人设计虚拟样机 模型；基本建立微纳结构阵列有限元模型和作用机理分析理论 。 19 年度 研究内容 预期目标 第 二 年 1. 研究 复杂微纳体系中长程相互作用及其影响；微纳米光栅结构特性参 数的设计、优化和仿真 及建立 跨微纳尺度结构的黏附行为和分析方法； 建立 基于微装配技术的微小物体高精度操纵平台 和 基于单片集成 试芯片的高精度力学测量 ； 2. 继续开展体表超微形貌特征的观察、搜集，开展特征的分析和比较；开展体表（翅表）的理化成分分析；开展微力、 降噪与减振 、光敏与导航功能 的测定 ； 结合超微形态特征研究及理化成分分析结果进行形态与功能的耦合分析 ； 3. 在 课题 1 和课题 2 提出的微纳结构设计原理的基础上 研究硅基微纳结构构筑的综合实验方法；研究纳米材料与微米花样之间的界面结构；通过仿生方法制备形貌可控的纳米材料 ； 4. 仿照猫头鹰羽毛降噪原理，研究硅基纳米绒毛形态与降噪的关系 ； 5. 针对视觉敏感器件微纳结构特点，进行实验研究、理论分析和计算机模拟；研究偏振光电探测阵列的结构参数与微纳导航传感器系统的精度、灵敏度以及时域、频域的响应特性关系；搭建天空偏振光测试系统，实现多模式天空偏振光的测量；开展图像采集模块的软件的开发； 6. 模仿动物运动的 式 ，展开微 纳米机器人基于力反馈和 究； 利用多物理耦合场有限元分析技术模拟分析仿生 动控制系统 ； 探索研制具有微纳分叉结构的硅基微纳粘附阵列的基本原理和方法，进行 微纳结构制作新工艺实施。 1. 建立纳米结构生长的模拟方法，给出计算结果； 建立考虑结构弹性变形的长程相互作用模型 ；初步设计出可用于光导航传感器多方位光栅的机构尺寸； 结合仿壁虎足掌黏附器件开展优化设计； 完成单片集成 试芯片的设计和初步加工 ； 2. 获得一批相关结构的微纳米级形貌结构图及其相关功能的基础数据资料； 提出 1具有高性能粘附、降噪功能的微纳米形貌 结构 及其相应的理化指标； 3. 建立 物理或化学沉积法 在微米结构花样上生长纳米材料 的方法 ;初步获得硅基微纳机构的制造方法； 建立微纳结构表征的方法，获得界面结构信息；揭 示仿生纳米材料制备实验参数与材料形貌的关系； 4. 在硅基微米结构上加工出纳米绒毛阵列，并测试其降噪性能 ； 5. 给出仿昆虫复眼的偏振敏感光栅阵列结构形式和结构尺寸参数，建立偏振敏感光栅的测角计算模型，给出罗盘神经元译码及角度解算算法和软件的仿真计算模型，以及基于时间和地理位置为参数的天空偏振模式图的计算模型 ； 搭建天空偏振光模式测试装置 1 台，给出初步的测试结果 ； 完成第一代图像采集模块的设计制作 ； 6. 构建 基于力反馈和 制系统分析模型，基本建立爬行 机器人在非结构环境下的自主运动 智能控制系统；提出 硅基微米结 构上的纳米结构按需制造方法 。 20 年度 研究内容 预期目标 第 三 年 1. 研究 微纳结构的振动与声学特性；纳米光栅中偏振光与自由电子的相互作用； 应变调控表面形态对粘附和摩擦行为的影响 及 非均匀微纳体系力学行为的模拟方法； 建立 基于压电探针原子力显微镜的测试平台 和 典型的微纳米结构进行力学行为测试 ； 2. 继续前期工作，开展体表超微形貌特征的观察、分析和比较研究；进行体表（翅表）的理化性能分析；开展微力、 降噪与减振 、 光敏与导航功能 的测定 ； 开展微纳米形貌结构及理化参数分别与 粘附与脱附、降噪与减振 、 光敏与导航功能 之间 的耦合 分析 ； 3. 探索纳米材料的定点和定 向生长的实验方法；深入研究微纳 机构稳定性与材料 关键性能 的依赖关系 ； 探索微纳结构表面化学修饰的方法；探索仿生法构筑微纳结构的实验方法 ； 4. 设计并制作主被动结合、微纳米复合的降噪结构 ； 5. 设计仿沙蚁偏振光复眼导航器件、仿响尾蛇的非制冷红外成像器件结构，并应用课题 3 的工艺技术进行工艺实施； 改进红外成像系统，实现微梁像素和 素 1： 1 光学成像，进行新的 6. 进行 爬行机器人 微纳 粘附阵列 仿生 设计与制备； 发现和筛选出 4研究非结构环境下多微纳单元融合系统控制技； 建设仿生爬行机器人微纳 机械器件尺寸、形状及性能的检测实验平台虚拟样机并进行模拟实验。 1. 建立偏振光与自由电子共振激发耦合数值模型 ；提出粘附器件接触面改性的策略和理论依据；提出计及尺度效应的非均匀微纳体系相场动力学高效模拟方法；提供纳米结构力学行为测试手段和方法；给出典型微纳结构的力学特性参数，为仿生微纳设计奠定基础； 2. 获得一批相关结构的微 /纳米级形貌结构图及其相关功能的基础数据资料； 3. 建立 纳米材料定点、定向生长的方法，确定关键 实验 参数；揭示微纳尺度材料稳定性的机制；建立表面化学修饰的方法，确定关键 实验 参数；建立仿生构筑微纳结构的基 本 方法 ； 4. 设计并制作主被动结合、微纳米复合的硅基降噪结构，并测试其降噪性能 ； 5. 结合 硅加工工艺，给出仿昆虫复眼的偏振敏感光栅制作工艺，加工制造出满足仿生传感器要求的光栅阵列及集成结构 ； 获得 120列的 50 微米像素 其封装好的模块，得到改进的光学模块和图像采集模块 ； 6. 研制出仿生微纳粘附阵列，提出其装配和粘接中的革新工艺方案；建立爬行 机器人在非结构环境下的自主运动 智能控制系统；基本建立爬行机器人性能测评试验台及测评体系 。 21 年度 研究内容 预期目标 第 四 年 1. 典型微纳结构的跨尺度分析和计算模拟； 偏振光电磁 场在亚波长光栅中的尺度限制和界面效应模型 ；微纳结构交接面的力学分析和设计；微纳结构动态粘附和理论分析；多场作用下微纳结构生长形貌模拟 及 多场耦合微纳非均匀体系在外载激励作用下的响应 ； 2. 开展微纳米形貌结构及理化参数分别与 粘附与脱附、降噪与减振 、光敏与导航功能 之间 的耦合 分析 ； 3. 研究微纳结构的化学和热学稳定性； 探索微纳结构表面金属沉积方法及提高微纳结构光、电、化学等响应的新方法；深入研究硅基微纳阵列结构的制造方法 ； 4. 研究硅基微纳结构减振降噪膜片的优化设计与制造方法 ； 5. 研究智能信息处理方法，并建立相应的实验测试与标定 系统，并对不同模式下的微纳米复眼偏振导航器件的性能进行测试和标定 ； 对于 进一步分析、改进和完善各模块的性能，并进行联调 ； 6. 进行 多种动物特殊微纳结构 多元耦合建模分析 ， 研究微纳结构制作工艺实施；进行多微纳结构和器件集成 及系统 性能 测试。 1. 给出定量分析结果并与原子尺度计算结果比较； 结合模拟和实验测试为偏振光导航微纳传感器提供设计依据 ；为系统集成和设计提供依据；分析不同条件对生长的影响，提出生长形貌的调控思路；为微纳光机电系统设计提供计算和模拟手段 2. 初步 筛选出 2噪、光敏功能的微纳米形态 结构 ； 3. 建立硅基 微纳阵列结构制造的基本方法，确定关键工艺参数；揭示微纳结构响应行为与结构的相关性 ； 4. 完成硅基微纳结构减振降噪膜片的优化设计，并加工出可组装的模块化样品 ； 5. 搭建相应的测试平台，完成偏振光传感器的标定和性能测试，并提供偏光导航传感器 1； 获得可以进行自主热成像的红外仿生模块，其指标为 320列的 50 微米像素 度分辨率达到 模 块 尺 寸50 6. 开发出具有微纳分叉结构的硅基微纳粘附阵列及其装配工艺；研制出具有实验环境中感知、智能控制能力的微纳米爬 行机器人样机。 22 年度 研究内容 预期目标 第 五 年 1. 仿生降噪微纳结构 、 仿生光导航微纳结构 、 仿生爬行机器人微纳系统的分析、计算与优化设计；与原子尺度模拟结果和实验测试结果比较，对理论模型、跨尺度模拟方法等进行全面总结和完善 ； 2. 建立、优化 2具有高性能粘附、降噪、光敏功能的微纳米形态结构 及其 相应的生物模型和数学模型， 为降噪微纳结构、 光导航微纳器件、爬行 机器人 微纳 系统的设计与制造提供仿生学基础 ； 3. 深入研究微纳阵列结构与性能的相关性；根据课题 6 的实验 结果，进一步优化微纳结构制造方法，改进制造工艺 ； 4. 研究硅基微纳结构的主动降噪控制方法，并开展硅基降噪功能结构的应用探索研究 ； 5. 结合研究得到的天空偏振光分布规律，搭建自主移动平台，开展导航精度测量和初步的导航试验应用 ； 6. 进行 机器人运动性能测评实验 ，完善测评程序和测评标准 ，改进仿生爬行 机器人 设计；研究微纳米器件制备和组装技术和机器人微纳功能器件实时检测技术 ；构建 仿生微纳结构、器件、系统设计 基本 理论 ； 7. 进行系统总体分析，给出实验分析报告撰写结题报告，进行课题总结。 1. 进行 仿生降噪微纳结构 、 仿生光导航微纳结构 、 仿生爬行机器人微纳系统的计算与优化设计；模型预测结果能够与实验结果吻合，计算方法 与原子尺度的原始算法比较偏差小于 10%、计算效率提高 10 倍以上； 2. 确立 4 具有高性能粘附、降噪、光敏功能的微纳米形态结构及其理化性能 的生物模型 ； 3. 建立几种 在硅基片表面形成特定微纳结构的基本工艺流程，确定关键工艺参数 ；定性描述 微纳阵列结构粘附性能 与 材料种类、尺寸、形貌、表面特性等的依赖关系 ； 4. 吸振系数最大提高 20%； 5. 搭建偏振光导航传感器测试移动平台及综合演示系统一套 ； 6. 研制出 具有在非结构环境下的自主运动能力 的仿生机器人样机；提出仿生爬行机器人微纳系统设计、研制与检测 基本 理论体系 ； 7. 进行系统总体分析，给出 实验分析报告 。 23 一、研究内容 关键科学问题： 1、微纳结构光机电特性的尺度效应与建模 深入认识微纳结构的力学、光学、电学基本性