Un procedimiento para fabricar una microestructura adhesiva, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:

fabricar un conjunto de fustes, teniendo cada fuste una longitud inferior a 500 × 10-6 m (500 micrómetros), y teniendo cada fuste un diámetro entre 0,01 y 0,1 veces dicha longitud de dicho fuste; y formar espátulas en dicho conjunto de fustes, 10-6 teniendo dichas espátulas una anchura inferior a 10 × m (10 micrómetros), incluyendo cada espátula individual de dichas espátulas un segmento curvado de una esfera en un extremo terminal de la espátula

La presente solicitud reivindica prioridad con respecto a la solicitud provisional de patente titulada, “Non-Interlocking Dry Adhesive Microstructure and Method of Forming Same”, con número de serie 60/172.731, presentada el 20 de diciembre de 1999.

La presente invención se realizó con ayuda del gobierno de EE. UU. con la subvención (Contrato) nº N00014-98-C0183, concedida por DARPA por medio de un subcontrato de U.S. Robotics. El gobierno de EE. UU. tiene ciertos derechos sobre la presente invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención versa, en general, acerca de la fabricación y el uso de estructuras de escala microscópica. Más en particular, la presente invención versa acerca de una microestructura adhesiva sin enclavamiento.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Existe una necesidad presente de adhesivos mejorados. Los adhesivos mejorados tienen aplicaciones que varían desde aspectos cotidianos de la vida (por ejemplo, cinta, fijaciones y juguetes) hasta tecnología punta (por ejemplo, la eliminación de partículas microscópicas de láminas semiconductoras, el transporte de dispositivos de fibra óptica, y el montaje de mecanismos submilimétricos, particularmente los que incluyen componentes microfabricados, o componentes que no pueden tolerar dispositivos de agarre, adhesivos, o ventosas de manipulación).

Se han estudiado mecanismos adhesivos en la naturaleza, pero no han sido completamente comprendidos ni explotados. Por ejemplo, los gecos son excepcionales por su capacidad para subir rápidamente por superficies verticales lisas. El mecanismo de adhesión utilizado por los gecos, los lagartos Anolis, algunos escincos, y algunos insectos, ha sido objeto de debate durante casi un siglo.

Aunque alguna obra anterior ha identificado la morfología de los pelillos utilizados por los gecos y otros insectos, estas obras anteriores no identifican cómo opera el pelillo. Además, esta obra anterior no identifica cómo utilizar un pelillo para realizar un trabajo útil.

Sería muy deseable identificar y aprovechar el mecanismo de fuerza adhesiva utilizado por los gecos y otros insectos. Tal información podría tener como resultado el uso de nuevas microestructuras adhesivas y la fabricación de tales estructuras.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

Según la invención, se proporciona un procedimiento como se especifica en la reivindicación 1, y una microestructura fabricada como se especifica en la reivindicación 7. En el presente documento se describe un procedimiento de formación de una fuerza adhesiva, que, sin embargo, se encuentra fuera del alcance de la invención. El procedimiento incluye las etapas de arrancar un pelillo de un espécimen vivo, fijar el pelillo a un sustrato, y aplicar el pelillo a una superficie, de forma que se establezca una fuerza adhesiva entre el sustrato y la superficie.

En el presente documento también se describe un procedimiento para establecer una microestructura adhesiva que, sin embargo, se encuentra fuera del alcance de la invención. El procedimiento incluye la etapa de aplicar un pelillo a una superficie con una fuerza perpendicular a la superficie. Entonces, se tracciona el pelillo con una fuerza paralela a la superficie, de forma que se precarga una fuerza adhesiva del pelillo.

La invención incluye un procedimiento para fabricar una microestructura adhesiva. La técnica de fabricación incluye fabricar un conjunto de fustes y luego formar espátulas en el conjunto de fustes, como se define en la reivindicación 1.

La invención también incluye una microestructura fabricada con un fuste que tiene una longitud inferior a 500 × 10-6 m (500 micrómetros). El fuste tiene un diámetro entre 0,01 y 0,1 veces la longitud del fuste. Se forma un conjunto de espátulas en un extremo del fuste. El conjunto de espátulas tiene una anchura inferior a 10 × 10-6 m (10 micrómetros). Cada espátula individual de las espátulas incluye un extremo terminal con una superficie extendida, tal como una paleta, un segmento curvado de una esfera, o un segmento aplanado de una esfera.

Para una mejor comprensión de la invención, se debería hacer referencia a la siguiente descripción detallada tomada en conjunto con los dibujos adjuntos, en los que:

La FIGURA 1 A ilustra operaciones de precarga. La FIGURA 1B ilustra filas de pelillos. La FIGURA 1C ilustra un único pelillo. La FIGURA 1D es una vista ampliada de un único pelillo. La FIGURA 1E es una vista ampliada de una única espátula de superficie extendida en un tallo de espátula, según una realización de la invención. La FIGURA 1F es una vista ampliada de una única espátula de superficie extendida en un tallo de espátula, según una realización de la invención. La FIGURA 1G ilustra un conjunto de espátulas formado en el extremo de un fuste para formar pelillos utilizado según la invención.

La FIGURA 1H ilustra un sistema para medir la fuerza adhesiva conseguida según la invención. La FIGURA 1I es otra ilustración de un sistema para medir la fuerza adhesiva conseguida según la invención. Las FIGURAS 2A-2B ilustran distintas fuerzas, como una función del tiempo, asociadas con la carga y la operación de adhesión de una estructura de la invención. La FIGURA 3 ilustra una fuerza de precarga perpendicular asociada con una realización de la invención. La FIGURA 4 ilustra una fuerza perpendicular durante la separación de una estructura utilizada según la invención. Las FIGURAS 5A-5C ilustran la fabricación de un conjunto de pelillos con estructuras de espátula según un procedimiento de fabricación de óxido/nitruro utilizado según una realización de la invención. Las FIGURAS 6A-6B ilustra la fabricación de un conjunto de pelillos según un procedimiento de fuente de excitación utilizado según una realización de la invención. La FIGURA 7 ilustra la fabricación de un conjunto de pelillos con estructuras de espátula según un procedimiento de tallo y de siembra utilizado según una realización de la invención. La FIGURA 8 ilustra la fabricación de una única espátula utilizando una micropipeta. La FIGURA 9 ilustra una herramienta de estampado utilizada para formar un molde de espátulas para ser utilizado según una realización de la invención. Las FIGURAS 10A-10D ilustran una autoconstrucción inducida de forma litográfica de espátulas según una realización de la invención. Las FIGURAS 11A-11B ilustran una técnica de nanoimpresión con rodillo que puede utilizarse para formar espátulas según una realización de la invención. La FIGURA 12 ilustra una técnica de fabricación de una sustancia fotoendurecible de dos capas que puede utilizarse según una realización de la invención. La FIGURA 13 ilustra un manipulador basado en pelillos que puede utilizarse según una realización de la invención.

Los números similares de referencia hacen referencia a partes correspondientes en todos los dibujos.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La invención está dirigida hacia el uso de estructuras de escala micrométrica para conseguir una adhesión. En particular, la invención utiliza una estructura de pelillo. La estructura de pelillo tiene un fuste. Hay una espátula o un conjunto de espátulas colocados en el extremo del fuste. Se produce la adhesión según la espátula o el conjunto de espátulas un contacto íntimo con una superficie.

En general, el fuste tiene una longitud entre 1 × 10-6 m y 500 micrómetros), preferentemente

10-6 10-6

una longitud entre aproximadamente 10 × m y 100 × m (10 a 100 micrómetros). Preferentemente, el diámetro del fuste es entre 0,01 y 0,1 veces la longitud del fuste, preferentemente aproximadamente 0,05 veces la longitud del fuste.

El extremo terminal del fuste tiene al menos una espátula. Preferentemente, el extremo terminal del fuste tiene entre 1 y 1000 espátulas. Preferentemente, el conjunto de espátulas tiene una anchura inferior a 10 × 10-6 m (10 micrómetros), preferentemente una anchura de aproximadamente 1 × 10-6 m (1 micrómetro). Preferentemente, cada espátula del conjunto de espátulas tiene una superficie extendida en su extremo terminal. La superficie extendida puede tener la forma de una paleta o de un segmento curvado de una esfera, como se muestra a continuación.

La estructura de la invención está modelada a partir de estructuras halladas en la naturaleza, tal como el pelillo que se encuentra en los pies de un geco Tokay (Gekko gecko). Muchas especies de geco (por ejemplo,...

1. Un procedimiento para fabricar una microestructura adhesiva, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:

fabricar un conjunto de fustes, teniendo cada fuste una longitud inferior a 500 × 10-6 m (500 micrómetros), y teniendo cada fuste un diámetro entre 0,01 y 0,1 veces dicha longitud de dicho fuste; y formar espátulas en dicho conjunto de fustes,

10-6

teniendo dichas espátulas una anchura inferior a 10 × m (10 micrómetros), incluyendo cada espátula individual de dichas espátulas un segmento curvado de una esfera en un extremo terminal de la espátula.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de fabricación incluye la etapa de construcción de dicho conjunto de fustes con una estructura interlaminar de nitruro y de óxido.

3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de fabricación incluye la etapa de construcción de dicho conjunto de fustes con una estructura interlaminar de capas poliméricas.

4. El procedimiento de la reivindicación 3, en el que dicha etapa de construcción incluye la etapa de construcción de dicho conjunto de fustes con una estructura interlaminar de capas poliméricas, en el que una capa polimérica es un material polimérico moldeado por centrifugación seleccionado del grupo constituido por una sustancia fotoendurecible, poliimida, vidrio, y compuestos basados en epoxi.

5. El procedimiento de la reivindicación 3, en el que dicha etapa de construcción incluye la etapa de construcción de dicho conjunto de fustes con una estructura interlaminar de capas poliméricas, en el que una capa polimérica es un material polimérico depositado por pulverización seleccionado del grupo constituido por una sustancia fotoendurecible, poliimida, vidrio, y compuestos basados en epoxi.

6. El procedimiento de la reivindicación 3, en el que dicha etapa de construcción incluye la etapa de construcción de dicho conjunto de fustes con una estructura interlaminar de capas poliméricas incluyendo epoxis endurecibles por radiación ultravioleta.

7. Una microestructura fabricada, que comprende:

un fuste con una longitud inferior a 500 × 10-6 m (500 micrómetros), teniendo dicho fuste un diámetro entre 0,01 y 0,1 veces dicha longitud de dicho fuste; y 5 un conjunto de espátulas formado en un extremo de dicho fuste, teniendo dicho 10-6

conjunto de espátulas una anchura inferior a 10 × m (10 micrómetros), incluyendo cada espátula individual de dichas espátulas un segmento curvado de una esfera en un extremo terminal de la espátula.

8. La microestructura fabricada de la reivindicación 7, en la que dicho fuste tiene una longitud entre 10 y 100 × 10-6 m (10 y 100 micrómetros).

9. La microestructura fabricada de la reivindicación 7, en la que dicho fuste tiene un diámetro de 0,05 veces dicha longitud de dicho fuste.

10. La microestructura fabricada de la reivindicación 7, en la que dicho segmento curvado de una esfera de un extremo terminal de la espátula tiene un radio de 2 × 10-6 m (2 µm).