【基金標書】2011CB302100-微納光機電系統(tǒng)的仿生設(shè)計與制造方法

1 項目名稱： 微納光機電系統(tǒng)的仿生設(shè)計與制造方法 首席科學家： 梅濤 中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院 起止年限： 托部門： 中國科學院 2 二、預(yù)期目標 1、總體目標 本項目面向國民經(jīng)濟與國家安全領(lǐng)域?qū)Πl(fā)展微納光機電系統(tǒng)的重大需求，開展微納光機電系統(tǒng)設(shè)計理論與制造方法研究，并運用仿生學原理為發(fā)展新型微納光機電系統(tǒng)提供創(chuàng)新設(shè)計思路，以提升我國在微納光機電系統(tǒng)方面的原始創(chuàng)新能力。通過本項研究將系統(tǒng)地建立微納結(jié)構(gòu)光機電特性的尺度效應(yīng)模型，為微納光機電系統(tǒng)提供設(shè)計依據(jù)。并 針對跨微納尺度加工的按需制造與工藝兼容性難點，系統(tǒng)地建立硅基微納結(jié)構(gòu)制造工藝流程 ，為實現(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、光導航微納器件和爬行機器人微納系統(tǒng)為對象，從結(jié)構(gòu)、器件和系統(tǒng)三個層次建立微納光機電系統(tǒng)的仿生設(shè)計與制造方法，并為減振降噪、自主導航和救援偵察等應(yīng)用場合研制出新型微納光機電系統(tǒng)實驗樣機。通過本項目研究 還將帶動一批國家和省部級重點實驗室的建設(shè)，培養(yǎng)一批創(chuàng)新思維突出、專業(yè)能力堅實的優(yōu)秀中青年人才，有可能在國際上形成一支引領(lǐng)仿生微納光機電系統(tǒng)研究的創(chuàng)新團隊。 2、五年預(yù)期目標 預(yù)計經(jīng)過五年的努力，將從理論方法、技術(shù)實現(xiàn)到應(yīng)用目標取得 2 3 項具有原創(chuàng)性的重要突破，使微納光機電系統(tǒng)研究進入新的發(fā)展階段，在國際相關(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，申請發(fā)明專利 30 項。在人才培養(yǎng)和隊伍建設(shè)方面，造就出一批具有國際水平的跨學科學術(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： 在實驗研究、理論分析和計算機模擬的基礎(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、組裝和多場耦合響應(yīng)的理論模型，為微納光機電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和制造提供分析 與仿真模擬工具 1 套。 揭示多種動物特殊體表的微納結(jié)構(gòu)對粘附與脫附、減振降噪和光導航功能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)和篩選出 46 種高性能微納形態(tài)結(jié)構(gòu)，為降噪微納結(jié)構(gòu)、光導航微納器件、爬行機器人微納系統(tǒng)的仿生設(shè)計與制造提供生物學基礎(chǔ)。 發(fā)展 34 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，為微納光機電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)制作提供工藝基礎(chǔ)。 以壁虎、昆蟲等生物的感知、控制與爬行能力為模仿對象，設(shè)計和制造出能夠在天花板上倒立爬行的粘附爬行機器人系統(tǒng)實驗樣機。 以貓頭鷹 皮膚和覆羽的吸振降噪機理為模仿對象，發(fā)展硅基降噪微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造方法，制作出硅基降噪微納結(jié)構(gòu)膜片，吸振系數(shù)提高 20%。 3 以沙蟻、蜣螂、響尾蛇為模仿對象，研制出硅基光導航微納器件樣機，實現(xiàn)日光、月光導航和紅外目標探測功能，測角位置精度達到 ，紅外探測分辨率優(yōu)于 4 三、研究方案 1、學術(shù)思路 微納光機電系統(tǒng)并不是簡單地將普通的光機電系統(tǒng)縮小到微納米尺寸就能夠得到相應(yīng)的性能，這時由于微納尺度效應(yīng)使許多原來對普通光機電系統(tǒng)沒有太大影響的效應(yīng)被凸顯出來，甚至會占據(jù)主導地位，完全改變原有的特 性，也可能帶來特殊的新功能。因此，必須首先分析和了解力學、光學和電學等各種效應(yīng)與微納結(jié)構(gòu)尺度之間的關(guān)系，才能有針對性地進行微納光機電系統(tǒng)設(shè)計。 在尺度效應(yīng)分析的基礎(chǔ)對普通光機電系統(tǒng)進行微納米化，是目前研制微納光機電系統(tǒng)的主要思路，但是這種方法難以突破傳統(tǒng)的思維定勢，更難超越已經(jīng)領(lǐng)先的科技發(fā)達國家，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。仿生學正是為我們提供了這樣的新機遇。 運用仿生學原理，借鑒生物組織中的微納結(jié)構(gòu)和各種光機電效應(yīng)機理，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，能夠為研制新型微納光機電系統(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，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)學模型，這就是 “ 知其所以然 ” 。這樣就可以運用自如地選擇合適的微納結(jié)構(gòu)進行模仿，在設(shè)計中抓住關(guān)鍵特征結(jié)構(gòu)和尺寸。 然而，僅僅有好的思路是遠遠不夠的，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，必須進一步發(fā)展微納結(jié)合的加工工藝。硅集成電路技術(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)基本上是在各自獨立的發(fā)展，其工藝兼容性沒有得到解決。所以，應(yīng)該重點研究硅基微米結(jié)構(gòu)上的納米結(jié)構(gòu)按需制造方法，為研制微納光機電系統(tǒng)提供工藝基礎(chǔ)。 有了創(chuàng)新的思路、好的設(shè)計方法和制造工藝，還應(yīng)該進行實驗驗證和應(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、光導航微納器件和爬行機器人微納系統(tǒng)進行試制，從結(jié)構(gòu)、器件、系統(tǒng)三個層次對微納光機電系統(tǒng)的設(shè)計和制造進行驗證，同時還 為減振降噪、自主導航和救援偵察研制出 具有重要應(yīng)用前景的 新型微納光機電系統(tǒng)實驗樣機。 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)的多層次特點和本項目的應(yīng)用目標，分析和建模工作首先立足于對納米和微米兩個不同尺度的系統(tǒng)探索，在此基礎(chǔ)上發(fā)展跨越微納尺度的統(tǒng)一5 的計算和模擬方法。技術(shù)途徑分為三個步驟，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)識別，以及跨微納尺度的模型對接與統(tǒng)一。 在納米尺度，首先基于量子力學第一性原理進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函數(shù)。其次將相互作用勢函數(shù)引入分子動力學，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，驗證其正確性。再之，將分子動力學模擬結(jié)果與相應(yīng)經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)模型的結(jié)果進行反復(fù)比較，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)納米尺度分子動力學模擬提供的信息，計入經(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)的有限元計算格式，識別模型變量和參數(shù)的物理意義。這種模型原則上應(yīng)當能夠反映微米結(jié)構(gòu)的全部光機電特性，并能與相應(yīng)的實驗事實相符合。 在以上兩個步驟的基礎(chǔ)上，針對不同納米結(jié)構(gòu)同時實施分子動力學和非經(jīng)典的 連續(xù)介質(zhì)計算，將二者的計算結(jié)果與相應(yīng)的實驗結(jié)果進行比較，驗證連續(xù)模型的有效性，同時確定模型參數(shù)。經(jīng)反復(fù)修正，實現(xiàn)微納尺度模型的無縫對接和統(tǒng)一，使其既能把握納米尺度關(guān)鍵特征，又能與微米尺度實驗相吻合。將該模型與相場動力學相結(jié)合，可以避免微納結(jié)構(gòu)演化過程中運動邊界的追蹤，因而也能夠有效地模擬微納結(jié)構(gòu)的形成與生長。 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、溶液生長、電化學沉積等干、濕方法，通過控制過飽和度、溫度 、溶液離子強度、過電位等關(guān)鍵實驗參數(shù)來控制納米結(jié)構(gòu)單元的生長熱力學和動力學，進而實現(xiàn)可控制造，對于較復(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)，基于無機模板、有機模板與干、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 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模板，通過 “ 干的 ” 或 “ 濕的 ” 等 “ 自下而上 ” 手段在模板中實現(xiàn)可控生長與組裝，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。為實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)單元在微米結(jié)構(gòu)單元上定點、定向生長，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)仿生學原理達到 “ 智能化 ”識別生長點，并按需生長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、電磁場等）結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 6 硅基微納結(jié)構(gòu)器件功能化：最后通過納米操控技術(shù)對微納結(jié)構(gòu)和器件進行修整和改造，例如表面嫁接官能團以增強對環(huán)境化學物質(zhì)的識別；表面負載金屬納米顆粒以增強對光信號的響應(yīng)；通過納米結(jié)構(gòu)單元的規(guī)則排列及結(jié)構(gòu)組合以增強對力學、聲學、電學等信號的檢測。 仿生降噪微納結(jié)構(gòu)研究 以微型 境掃描電鏡、光學三維測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)，分析振動波在貓 頭鷹體表的耗散情況，揭示其多機理耦合吸聲機制，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)計提供依據(jù)。 在深入了解貓頭鷹體表結(jié)構(gòu)及其降噪機制的基礎(chǔ)上，根據(jù)已經(jīng)建立的模型，采用有限元仿真和實驗相結(jié)合的方法，進行降噪微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計。同時，根據(jù)各功能層對材料的流阻、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 術(shù)形成所需形狀與尺寸的空腔，也可以集成必要的測控器件。在硅基微米陣列結(jié)構(gòu)之上再生長碳納米管陣列構(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現(xiàn)可控定向生長。我們將以吸聲系數(shù)為技術(shù)指標，對該方案進行優(yōu)化設(shè)計。 根據(jù)微米技術(shù)和納米技術(shù)各自的特點，采用先微米、后納米的實驗方案，以硅材料為基礎(chǔ)并結(jié)合其他材料，通過微電子和 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，通過實驗的手段驗證其降噪特性，進而完成結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造方法的優(yōu)化。 生物光敏感器官的微納結(jié)構(gòu)與導航系統(tǒng)研究 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 計算機三維重建等技術(shù)，對蜣螂和沙蟻的復(fù)眼形態(tài)學進行研究。利用染色和熒光標記的方法，對含光敏色素（視紫紅質(zhì)素）的膜的結(jié)構(gòu)、分布和方向進行研究，進而確立視紫紅質(zhì)分子所在光感細胞和神經(jīng)通路的聯(lián)動機制。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)計途徑，建立相應(yīng)的數(shù)學模型和系統(tǒng)仿真模型。 針 對應(yīng)用目標所選定的沙蟻、蜣螂、響尾蛇開展仿生偏振光導航傳感器、仿生紅外成像陣列研究， 綜合利用沙蟻和蜣螂的日光、月光偏振光導航機理，以及響尾蛇的紅外目標探測機理，提出全天候光導航器件的設(shè)計方案。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，進行集成化硅基光導航器7 件微納制造工藝設(shè)計，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)計方案，并制作出仿生光導航微納器件。 粘附爬行機理與仿生機器人系統(tǒng)研究 粘附爬行機理主要研究 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規(guī)律與附著機制 。研究的技術(shù)路線包括：（ 1）生物新鮮標本的收集及種類鑒定；（ 2）在體視顯微鏡下進行樣品制備；（ 3）運用環(huán)境掃描電子顯微鏡（ 透射電子顯微鏡（ 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）運用 X 射線光電子能譜儀（ 分析生物體表的化學成分；（ 5）運用微力測試儀測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)和體表化學成分與粘附力之間的數(shù)據(jù)關(guān)系， 為研制仿生爬 行機器人及工作于各種復(fù)雜環(huán)境下的其它特種機器人提供科學依據(jù)。 在本項研究中將以壁虎、昆蟲為仿生對象，研究微納尺度效應(yīng)和物理、化學、生物敏感機理，通過理論分析和實驗研究設(shè)計和制造能夠進入窄小空間、任意方位爬行的救援偵察機器人系統(tǒng)實驗樣機。將利用自行建立的動物運動分析系統(tǒng)，研究仿生對象的運動行為。采用神經(jīng)電生理學技術(shù)和信號分析技術(shù)研究動物運動神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其運動行為的 制模式，獲得機器人控制的新思路。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)計和制造成為可能。我們將模仿壁虎的粘附爬行機制、昆蟲足爪抓附與跳躍機制等動物感知、爬行、控制行為，建立爬行機器人微納系統(tǒng)仿生設(shè)計和制造的理論與方法，并研制出實驗樣機。 8 圖 9 本項目開展動物粘附爬行機理及仿生研究的技術(shù)路線 3、創(chuàng)新性與特色： 本項研究最具特色的是，系統(tǒng)地將仿生學運用于微納光機電系統(tǒng)的設(shè)計和制造中，為研制新型微納光機電系統(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)。 借鑒貓頭鷹等動物皮膚和覆羽的吸振降噪機理，設(shè)計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、偏振月光導航定位和紅外目標探測機理，研制全天候光導航器件，發(fā)展高精度自主導航系統(tǒng)。 以壁虎、甲蟲等動物的感知、控制與爬行能力為模仿對象，研制出能夠在天花板上倒立爬行的仿生機 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： 微納光機電系統(tǒng)技術(shù)與仿生學的大幅度學科交叉，將國內(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研究團隊，在項目申請的研討過程中已經(jīng)碰撞出許多思想的火花，為產(chǎn)生原始創(chuàng)新搭建了一個良好的研究平臺。這種通過大幅度學科交叉來解決微納光機電系統(tǒng)的關(guān)鍵科學問題和技術(shù)難關(guān)的方式，很有可能在以下幾個方面取得重大突破。 （ 1） 將理論與實驗相結(jié)合，有可能 實現(xiàn)微納光機電系統(tǒng)設(shè)計方法學上的突破 ； 目前人們對納米結(jié)構(gòu)的了解還處于起步階段，尚不能進行全面測試，因此 我們采用理論與實驗相結(jié)合的方法來進行研究。借助于超級計算機，人們已經(jīng)實現(xiàn)了對包含 10 億個原子系統(tǒng)的行為進行詳細的原子尺度計算和模擬。借助于微納制造工藝我們可以實現(xiàn)對特定微納結(jié)構(gòu)的按需制造，為驗證理論計算的正確性提供實驗樣本。這些方法為微納尺度效應(yīng)的認識提供了有力的工具，借助于我們建立的實驗研究平臺和已有的大型計算能力，將使我們能夠?qū)Ψ律⒓{結(jié)構(gòu)的光機電特性進行數(shù)學描述和實驗驗證。將仿生設(shè)計原理、按需生長工藝、跨尺度分析模擬等先進的思想方法融為一體，最大可能地發(fā)揮微納協(xié)同作用，將有可能實現(xiàn)微納光機電系統(tǒng)設(shè)計方 法學上的突破。 （ 2）從微納結(jié)構(gòu)的角度對生物功能組織進行研究，有可能發(fā)現(xiàn)新的生物現(xiàn)象； 樣品制作 標本收集及種類鑒定 特征觀察、采集、描記 掃描 、透射 電鏡 體視顯微鏡 微納光機電系統(tǒng)仿生設(shè)計 微力測試儀儀 特征分析與綜合、特征與 粘附 性能的耦合分析 立數(shù)學模型 選擇優(yōu)化結(jié)構(gòu) 9 本項目組在前期研究中，發(fā)現(xiàn)目前生物學界對感覺器官的研究重點在神經(jīng)處理機制方面，而對生物感覺器官微納結(jié)構(gòu)與光機電功能的關(guān)系研究比較薄弱。其原因可能是兩個方面，一是對了解生物感覺器官微納結(jié)構(gòu)的需求不足，二是目前生物學研究單位缺乏微納技術(shù)手段。本項目由于機理仿生和組織仿生的需要，對生物學家提出了在微納尺度上重新認識生物器官和組織的要求，同時我們又建立了微納結(jié)構(gòu)制作手段，這將有可能導致新的生物光機電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)， 為微納光機電系統(tǒng)研制提供新的借鑒。這種新發(fā)現(xiàn)是對人類認識自然的貢獻，將得到國際科學界足夠重視，壁虎微納結(jié)構(gòu)與粘附機理的發(fā)現(xiàn)就是很好的例子。 （ 3）通過結(jié)構(gòu)仿生實現(xiàn)功能仿生，能夠攻克微納光機電系統(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，有望實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的按需制造，通過結(jié)構(gòu)仿生實現(xiàn)功能仿生。本項目以貓頭鷹、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) 、光導航微納器件、爬行機器人微納系統(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產(chǎn)權(quán)的新型微納光機電系統(tǒng)。 10 課題設(shè)置 各課題間相互關(guān)系 本項目將系統(tǒng)地針對微納光機電系統(tǒng)的設(shè)計理論、仿生原理和制造方法開展研究，因此首先設(shè)立了三個課題： 微納結(jié)構(gòu)的功能特性與數(shù)學模型 為微納光機電系統(tǒng)提供設(shè)計依據(jù)；生物組織的微納結(jié)構(gòu)與仿生機理 為微納光機電系統(tǒng)提供創(chuàng)新設(shè)計思路；硅基微納結(jié)構(gòu)的按需制造方法 為微納光機電系統(tǒng)提供工藝基礎(chǔ)。 然后，運用前面三個課題發(fā)展出來的設(shè)計依據(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 個層次進行實驗驗證，因此設(shè)立了后面三個應(yīng)用目標明確的課題： 降噪微納結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計與制造；仿生光導航微納器件的設(shè)計與制造；爬行機器人微納系統(tǒng)的設(shè)計與制造。這六個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電系統(tǒng)的關(guān)鍵科學問題， 同時為減振降噪、自主導航和救援偵察等應(yīng)用領(lǐng)域提供新型光機電系統(tǒng)樣機。 圖 10 各課題之間的相互依存關(guān)系 課題一： 微納結(jié)構(gòu)的功能特性與數(shù)學模型 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)與仿生機理 設(shè)計思路 設(shè)計依據(jù) 工藝基礎(chǔ) 課題五： 光導航微 納器件 課題四： 降噪微納結(jié)構(gòu) 實驗樣機 課題六 ： 爬行機器人微納系統(tǒng) 11 課題 1、微納結(jié)構(gòu)的功能特性與數(shù)學模型 預(yù)期目標： 在實驗研究、理論分析和計算機模擬的基礎(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、組裝和多場耦合響應(yīng)的理論模型，為本項目涉及的微納光機電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和制造提供分析與仿真模擬工具。 研究內(nèi)容： 1） 搭建微納結(jié)構(gòu)操作和測試平臺 建立激光雙光子全三維立體微納結(jié)構(gòu)加工平臺，基于微裝配技術(shù)的微小物體高精度操縱平臺，以及基于壓電探針 原子力顯微鏡的納米力學測試平臺；建立 以單片集成 試芯片實現(xiàn)加載與力學參數(shù)高精度測量的微結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)與光、機、電性能測試平臺等。 2）建立微納結(jié)構(gòu)力學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，提出勢函數(shù)表達式； 結(jié)合大規(guī)模分子動力學模擬，揭示不同納米結(jié)構(gòu)因空間尺寸束縛導致的尺度效應(yīng)；針對微、納不同尺度的變形特征發(fā)展微納結(jié)構(gòu)力學行為的跨尺度模型，并通過與相關(guān)實驗及分子動力學模擬比較確定模型參數(shù)，實現(xiàn)從納米到微米尺度的跨越；與實驗結(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，建立偏振光電磁場在亞波長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，實現(xiàn)微納 結(jié)構(gòu)光電響應(yīng)的多尺度模擬和靜、動態(tài)仿真；結(jié)合數(shù)值模擬和實驗測試結(jié)果，從微納結(jié)構(gòu)層次研究沙蟻對偏振光和響尾蛇對紅外熱像的敏感機理。 4）發(fā)展微納結(jié)構(gòu)形貌演化和生長的模擬方法 基于微組織演化動力學觀點，借助于跨尺度模型和相場模擬，表征微納米尺度材料的本構(gòu)關(guān)系，建立其精細結(jié)構(gòu)形貌形成、穩(wěn)定性、演化與生長的相場動力學分析工具；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，為實現(xiàn)定點定向可控生長提供理論參考。 5）開展微納光機電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計 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、光導航微納器件和爬行機器 人微納系統(tǒng)相結(jié)合，開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與可靠性分析。 12 經(jīng)費比例： 15% 承擔單位： 中國科學技術(shù)大學、大連理工大學 課題負責人： 何陵輝 學術(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)與仿生機理 預(yù)期目標： 本課題擬對具有獨特攀爬、光導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，對體表微米及納米級超微結(jié)構(gòu)的形貌進行觀察、搜集、描記和分析，從功能形態(tài)學、進化生物學及物理化學的角度，探討體表微納米結(jié)構(gòu)和表面化學成分對生物粘附與脫附、降噪與 減振及光敏與導航功能的耦合關(guān)系，比較不同生物在各項功能上的特點、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、光敏功能的微納米形態(tài)結(jié)構(gòu)，為降噪微納結(jié)構(gòu)、光導航微納器件、爬行機器人微納系統(tǒng)的設(shè)計與制造提供仿生學基礎(chǔ)。 研究內(nèi)容： 1） 生物組織微納結(jié)構(gòu)的運動力學特性研究 研究壁虎、蒼蠅和甲蟲 腳（足）掌與接觸面之間的 接觸粘附、觸覺感知和運動控制機制，為仿生機器人的全方位、無障礙爬行機構(gòu)設(shè)計提供生物學原型。采用環(huán)境掃描電子顯微鏡、透射顯微鏡等技術(shù)，對其 腳趾和 足表的表面特征、微納形態(tài)結(jié)構(gòu)進行觀察、比較和 分析，結(jié)合力學、化學、物理學的分析手段，探討運動及靜止過程中 腳趾及 足與固體 接觸面之間的接觸力學規(guī)律、 粘附機理、生物學特性及其仿生意義。 2）生物組織微納結(jié)構(gòu)的仿生機理研究 研究足表面微納米結(jié)構(gòu)和化學成分對粘附性能的耦合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)和篩選出具有強粘附力的微納米形態(tài)結(jié)構(gòu)，建立優(yōu)化模型，為 仿生爬壁機器人及工作于各種復(fù)雜環(huán)境下的其它特種機器人以及 高性能粘附材料與機械的設(shè)計及制造提供仿生學的理論依據(jù)和實踐支持。 3）生物視覺器官的微納結(jié)構(gòu)與仿生機理研究 以沙蟻、蜣螂為對象，研究其復(fù)眼、小眼的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，重點是超微形態(tài)結(jié)構(gòu)和組織細胞學結(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行導航和定位的機理，為滿足室外全天候、高精度的新的微型導航定位系統(tǒng)的設(shè)計與制造提高仿生學思路。 4）生物皮毛微納結(jié)構(gòu)與降噪機理的研究 13 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理，為減振降噪微納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造提供思路。 經(jīng)費比例： 15% 承擔單位： 中國科學院動物研究所、中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院 課題負責人： 梁愛萍 學術(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： 本課題擬針對 跨微納尺度加工的按需制造與工藝兼容性難點，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 。 研究內(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，實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)可控生長 (形態(tài)、相結(jié)構(gòu)等可控，尺寸可調(diào) )，研究 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行為的規(guī)律性認識，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)； 3）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)，實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)在硅微結(jié)構(gòu)上定點定向生長以及與硅界面的良好結(jié)合，研究微納結(jié)構(gòu)的一致性、生長可 重復(fù)性，結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性、化學穩(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)計與其光、電、敏感功能提升的新方法 。 14 經(jīng)費比例： 20% 承擔單位： 中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院、中國科學院化學研究所 課題負責人： 葉長輝 學術(shù)骨干： 趙愛武、段國韜、倪林、舒春英 課題 4、降噪微納結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計與制造 預(yù)期目標： 以貓頭鷹皮膚和羽毛的吸振降噪機理為模仿對象，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)的可控生長與自組裝方法和微納米尺度的操控手段，設(shè)計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。 研究內(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 對貓頭鷹皮膚結(jié)構(gòu)降噪機制研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計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，加工出具有主動控制功能的諧振腔，通過仿真與實驗相結(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)計主被動多層耦合降噪結(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 對貓頭鷹覆羽結(jié)構(gòu)降噪機制研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計仿貓頭鷹絨毛的硅基納米結(jié)構(gòu)，并在課題 3 對微納結(jié)構(gòu)制作工藝研究成果的基礎(chǔ)上，在硅基微米結(jié)構(gòu)上加工出納米絨毛陣列，通過實驗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）主被動結(jié)合、微納米復(fù)合的降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作 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)計并制作主被動結(jié)合、微納米復(fù)合的硅基降噪結(jié)構(gòu)，并通過實驗手段驗證其降噪特性，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 對貓頭鷹皮膚和絨毛感知噪聲機理的研究，設(shè)計并制造硅基噪聲感知單元，并實現(xiàn)與硅基微納結(jié)構(gòu)減振降噪膜片的單片集成。研究主動降噪的控制方法，通過主動感知與控制，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)達到最大，從而提高降噪性能，同時可以有效拓寬吸聲頻率范圍。 15 經(jīng)費比例： 15% 承擔單位： 中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院、中國科學院 電子學研究所 課題負責人： 孔德義 學術(shù)骨干： 趙湛、孫少明、高理升、方震 課題 5、仿生光導航微納器件的設(shè)計與制造 預(yù)期目標： 以沙蟻、蜣螂、響尾蛇的視覺與控制器官為對象，探索微納結(jié)構(gòu)敏感效應(yīng)的基本規(guī)律和仿生設(shè)計途徑，建立相應(yīng)的數(shù)學模型和系統(tǒng)仿真模型，借鑒沙蟻對偏光和響尾蛇對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 造工藝的基礎(chǔ)上，研制出硅基的偏振光導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航微納器件。 研究內(nèi)容： 1）微納尺度下的生物敏感機 理與仿生原理 在課題 2 的基礎(chǔ)上，以沙蟻、響尾蛇為對象，在微納米尺度上了解和研究生物視覺器官的敏感機理，探索利用納米材料和微納結(jié)構(gòu)進行機理仿生的新途徑。并對環(huán)境中曙暮光下天空偏振光模式變化進行建模研究，搭建天空偏振光測試系統(tǒng)，實現(xiàn)多模式天空偏振光的測量，為微納米復(fù)眼導航和識別器件設(shè)計提供理論指導。 2）微納敏感器件的仿生數(shù)學模型與仿真 在課題 1 的基礎(chǔ)上，針對視覺敏感器件微納結(jié)構(gòu)特點，進行實驗研究、理論分析和計算機模擬，建立相應(yīng)的數(shù)學模型和系統(tǒng)仿真模型；并利用已知的光機電材料微納結(jié)構(gòu) 功能特性構(gòu)建仿復(fù)眼的微納米偏振敏感模型，研究偏振光電探測陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)與微納導航傳感器系統(tǒng)的精度、靈敏度以及時域、頻域的響應(yīng)特性關(guān)系。 3）光導航微納敏感器件的仿生設(shè)計與制備 針對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)計仿沙蟻偏振光復(fù)眼導航器件、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的工藝條件進行工藝實施。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)學建模分析研究基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計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）光導航微納電器件的檢測標定 根據(jù)仿沙蟻偏振光導航器件、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)的實驗測試與標定系統(tǒng)，主要包括微納光電器件偏振光檢測平臺，為微納光電器件設(shè)計和改進提供實驗支撐；微弱信號檢測和16 增強技術(shù)，提高器件的性能；并對不同模式下的微納米復(fù)眼偏振導航器件的性能進行測試和標定。 經(jīng)費比例： 15% 承擔單位： 大連理工大學、中國科學技術(shù)大學 課題負責人： 褚金奎 學術(shù)骨干： 張青川、梁海弋、王兢、崔巖 課題 6、爬行機器人微納系統(tǒng)的設(shè)計與制造 預(yù)期目標： 以 壁虎、昆蟲等生物的粘附爬行能力為模仿對象，運用微納結(jié)構(gòu)力學行為模型進行粘附、脫附、爬行運動學與動力學分析，采用仿壁虎微納粘附陣列制作工藝，提出仿生爬行機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并進行工藝實施。模仿動物運動的 式，實現(xiàn)爬行機器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主運動，制造出能夠在天花板上倒立爬行的仿生機器人系統(tǒng)實驗樣機。 研究內(nèi)容： 1）動物運動分析與仿生機理研究 利用自行建立的動物運動分析系統(tǒng)，研究仿生對象的運動行為。在課題 2對壁虎和昆蟲粘附爬行微納結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上 ，進一步研究仿生對象的肢體和形體運動規(guī)律，為爬行機器人系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。 2）爬行機器人微納系統(tǒng)設(shè)計與制造 利用課題 1 建立的微納結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計工具對微納粘附陣列進行仿生設(shè)計，并利用課題 3 的工藝條件進行微納結(jié)構(gòu)制作工藝實施，研制出具有微納分叉結(jié)構(gòu)的硅基微納粘附陣列。 3） 仿生爬行機器人系統(tǒng)設(shè)計與制造 模仿壁虎的粘附爬行機制、昆蟲足爪抓附與跳躍機制等動物感知、爬行、控制行為，采用虛擬樣機技術(shù)設(shè)計仿生爬行機器人系統(tǒng)，并進行加工制造，研制出實驗樣機。 4）爬行機器人 制 模仿動物運動神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其 制模式 ，實現(xiàn)微納米機器人基于力反饋和 運動協(xié)調(diào)策略，使其具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主運動能力，同時提高效率和穩(wěn)定性。 5）爬行機器人性能測評 17 以搜救和偵察為背景，建立機器人運動性能測評實驗平臺，完善測評程序和測評標準，為優(yōu)化仿生爬行機器人性能提供依據(jù)。 經(jīng)費比例： 20% 承擔單位： 中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院、南京航空航天大學 課題負責人： 梅濤 學術(shù)骨干： 郭策、郭東杰、于敏、林新華 18 四、年度計劃 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標 第 一 年 1. 建立 均勻微納結(jié)構(gòu)力學模型； 微納尺度結(jié)構(gòu)的黏附力學和理論模型；微納尺 度的阻尼散制和能量耗散理論模型 和 基于嚴格耦合波理論建立亞波長光柵的分析模型 ； 搭建 激光雙光子全三維立體微納結(jié)構(gòu)加工平臺 和 針對微納結(jié)構(gòu)力學行為測試平臺 ； 2. 確定和收集計劃研究的動物種類及其研究標本； 對所選研究種類標本的足、復(fù)眼、體表（翅表）進行超微形態(tài)學研究 ； 3. 深入研究納米材料單元的可控生長基本方法及原理 ； 探索仿生法生長納米材料的新途徑 ； 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)進行機理仿生的新途徑 ;對環(huán)境中曙暮光下天空偏振光模式變化進行調(diào)研 ;設(shè)計制作 50 微米像素尺寸微梁 陣列 學和電子設(shè)備等； 6. 針對壁虎、昆蟲等不同動物，研究動物的運動行為和運動力學規(guī)律；研究 動物運動神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其 制模式 ，發(fā)展仿生爬行機器人高可靠性虛擬樣機設(shè)計技術(shù)；設(shè)計微納粘附陣列，進行仿生 機器人微納 功能 結(jié)構(gòu)有限元模擬分析 。 1. 結(jié)合壁虎足掌結(jié)構(gòu)分析黏附機理，提出仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計思路； 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)計提供理論支撐； 為模型試驗中特定結(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)，并測試其降噪性能 ； 5. 提出利用納米效應(yīng)和微納結(jié)構(gòu)實現(xiàn)仿生偏振光與紅外目標探測的技術(shù)途徑和設(shè)計方案；建立曙暮光下天空偏振光分布模式模型；完成改進的光學模塊制作和圖像采集模塊的設(shè)計； 6. 建立典型動物行為精確觀測和模擬系統(tǒng)，提供仿壁虎機器人機構(gòu)設(shè)計的生物學依據(jù)；構(gòu)建出壁虎運動神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 制模式 ，建立仿生爬行機器人設(shè)計虛擬樣機 模型；基本建立微納結(jié)構(gòu)陣列有限元模型和作用機理分析理論 。 19 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標 第 二 年 1. 研究 復(fù)雜微納體系中長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、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 和 基于單片集成 試芯片的高精度力學測量 ； 2. 繼續(xù)開展體表超微形貌特征的觀察、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 、光敏與導航功能 的測定 ； 結(jié)合超微形態(tài)特征研究及理化成分分析結(jié)果進行形態(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)計原理的基礎(chǔ)上 研究硅基微納結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的綜合實驗方法；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. 針對視覺敏感器件微納結(jié)構(gòu)特點，進行實驗研究、理論分析和計算機模擬；研究偏振光電探測陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)與微納導航傳感器系統(tǒng)的精度、靈敏度以及時域、頻域的響應(yīng)特性關(guān)系；搭建天空偏振光測試系統(tǒng)，實現(xiàn)多模式天空偏振光的測量；開展圖像采集模塊的軟件的開發(fā)； 6. 模仿動物運動的 式 ，展開微 納米機器人基于力反饋和 究； 利用多物理耦合場有限元分析技術(shù)模擬分析仿生 動控制系統(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，進行 微納結(jié)構(gòu)制作新工藝實施。 1. 建立納米結(jié)構(gòu)生長的模擬方法，給出計算結(jié)果； 建立考慮結(jié)構(gòu)彈性變形的長程相互作用模型 ；初步設(shè)計出可用于光導航傳感器多方位光柵的機構(gòu)尺寸； 結(jié)合仿壁虎足掌黏附器件開展優(yōu)化設(shè)計； 完成單片集成 試芯片的設(shè)計和初步加工 ； 2. 獲得一批相關(guān)結(jié)構(gòu)的微納米級形貌結(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； 3. 建立 物理或化學沉積法 在微米結(jié)構(gòu)花樣上生長納米材料 的方法 ;初步獲得硅基微納機構(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驗參數(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角計算模型，給出羅盤神經(jīng)元譯碼及角度解算算法和軟件的仿真計算模型，以及基于時間和地理位置為參數(shù)的天空偏振模式圖的計算模型 ； 搭建天空偏振光模式測試裝置 1 臺，給出初步的測試結(jié)果 ； 完成第一代圖像采集模塊的設(shè)計制作 ； 6. 構(gòu)建 基于力反饋和 制系統(tǒng)分析模型，基本建立爬行 機器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主運動 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 。 20 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標 第 三 年 1. 研究 微納結(jié)構(gòu)的振動與聲學特性；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)對粘附和摩擦行為的影響 及 非均勻微納體系力學行為的模擬方法； 建立 基于壓電探針原子力顯微鏡的測試平臺 和 典型的微納米結(jié)構(gòu)進行力學行為測試 ； 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；進行體表（翅表）的理化性能分析；開展微力、 降噪與減振 、 光敏與導航功能 的測定 ； 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 、 光敏與導航功能 之間 的耦合 分析 ； 3. 探索納米材料的定點和定 向生長的實驗方法；深入研究微納 機構(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)表面化學修飾的方法；探索仿生法構(gòu)筑微納結(jié)構(gòu)的實驗方法 ； 4. 設(shè)計并制作主被動結(jié)合、微納米復(fù)合的降噪結(jié)構(gòu) ； 5. 設(shè)計仿沙蟻偏振光復(fù)眼導航器件、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)進行工藝實施； 改進紅外成像系統(tǒng)，實現(xiàn)微梁像素和 素 1： 1 光學成像，進行新的 6. 進行 爬行機器人 微納 粘附陣列 仿生 設(shè)計與制備； 發(fā)現(xiàn)和篩選出 4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)仿生爬行機器人微納 機械器件尺寸、形狀及性能的檢測實驗平臺虛擬樣機并進行模擬實驗。 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)；提出計及尺度效應(yīng)的非均勻微納體系相場動力學高效模擬方法；提供納米結(jié)構(gòu)力學行為測試手段和方法；給出典型微納結(jié)構(gòu)的力學特性參數(shù)，為仿生微納設(shè)計奠定基礎(chǔ)； 2. 獲得一批相關(guān)結(jié)構(gòu)的微 /納米級形貌結(jié)構(gòu)圖及其相關(guān)功能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料； 3. 建立 納米材料定點、定向生長的方法，確定關(guān)鍵 實驗 參數(shù)；揭示微納尺度材料穩(wěn)定性的機制；建立表面化學修飾的方法，確定關(guān)鍵 實驗 參數(shù)；建立仿生構(gòu)筑微納結(jié)構(gòu)的基 本 方法 ； 4. 設(shè)計并制作主被動結(jié)合、微納米復(fù)合的硅基降噪結(jié)構(gòu)，并測試其降噪性能 ； 5. 結(jié)合 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 120列的 50 微米像素 其封裝好的模塊，得到改進的光學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 機器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主運動 智能控制系統(tǒng)；基本建立爬行機器人性能測評試驗臺及測評體系 。 21 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標 第 四 年 1. 典型微納結(jié)構(gòu)的跨尺度分析和計算模擬； 偏振光電磁 場在亞波長光柵中的尺度限制和界面效應(yīng)模型 ；微納結(jié)構(gòu)交接面的力學分析和設(shè)計；微納結(jié)構(gòu)動態(tài)粘附和理論分析；多場作用下微納結(jié)構(gòu)生長形貌模擬 及 多場耦合微納非均勻體系在外載激勵作用下的響應(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 、光敏與導航功能 之間 的耦合 分析 ； 3. 研究微納結(jié)構(gòu)的化學和熱學穩(wěn)定性； 探索微納結(jié)構(gòu)表面金屬沉積方法及提高微納結(jié)構(gòu)光、電、化學等響應(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)計與制造方法 ； 5. 研究智能信息處理方法，并建立相應(yīng)的實驗測試與標定 系統(tǒng)，并對不同模式下的微納米復(fù)眼偏振導航器件的性能進行測試和標定 ； 對于 進一步分析、改進和完善各模塊的性能，并進行聯(lián)調(diào) ； 6. 進行 多種動物特殊微納結(jié)構(gòu) 多元耦合建模分析 ， 研究微納結(jié)構(gòu)制作工藝實施；進行多微納結(jié)構(gòu)和器件集成 及系統(tǒng) 性能 測試。 1. 給出定量分析結(jié)果并與原子尺度計算結(jié)果比較； 結(jié)合模擬和實驗測試為偏振光導航微納傳感器提供設(shè)計依據(jù) ；為系統(tǒng)集成和設(shè)計提供依據(jù)；分析不同條件對生長的影響，提出生長形貌的調(diào)控思路；為微納光機電系統(tǒng)設(shè)計提供計算和模擬手段 2. 初步 篩選出 2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)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，并加工出可組裝的模塊化樣品 ； 5. 搭建相應(yīng)的測試平臺，完成偏振光傳感器的標定和性能測試，并提供偏光導航傳感器 1； 獲得可以進行自主熱成像的紅外仿生模塊，其指標為 320列的 50 微米像素 度分辨率達到 模 塊 尺 寸50 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；研制出具有實驗環(huán)境中感知、智能控制能力的微納米爬 行機器人樣機。 22 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標 第 五 年 1. 仿生降噪微納結(jié)構(gòu) 、 仿生光導航微納結(jié)構(gòu) 、 仿生爬行機器人微納系統(tǒng)的分析、計算與優(yōu)化設(shè)計；與原子尺度模擬結(jié)果和實驗測試結(jié)果比較，對理論模型、跨尺度模擬方法等進行全面總結(jié)和完善 ； 2. 建立、優(yōu)化 2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)學模型， 為降噪微納結(jié)構(gòu)、 光導航微納器件、爬行 機器人 微納 系統(tǒng)的設(shè)計與制造提供仿生學基礎(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 的實驗 結(jié)果，進一步優(yōu)化微納結(jié)構(gòu)制造方法，改進制造工藝 ； 4. 研究硅基微納結(jié)構(gòu)的主動降噪控制方法，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規(guī)律，搭建自主移動平臺，開展導航精度測量和初步的導航試驗應(yīng)用 ； 6. 進行 機器人運動性能測評實驗 ，完善測評程序和測評標準 ，改進仿生爬行 機器人 設(shè)計；研究微納米器件制備和組裝技術(shù)和機器人微納功能器件實時檢測技術(shù) ；構(gòu)建 仿生微納結(jié)構(gòu)、器件、系統(tǒng)設(shè)計 基本 理論 ； 7. 進行系統(tǒng)總體分析，給出實驗分析報告撰寫結(jié)題報告，進行課題總結(jié)。 1. 進行 仿生降噪微納結(jié)構(gòu) 、 仿生光導航微納結(jié)構(gòu) 、 仿生爬行機器人微納系統(tǒng)的計算與優(yōu)化設(shè)計；模型預(yù)測結(jié)果能夠與實驗結(jié)果吻合，計算方法 與原子尺度的原始算法比較偏差小于 10%、計算效率提高 10 倍以上； 2. 確立 4 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. 搭建偏振光導航傳感器測試移動平臺及綜合演示系統(tǒng)一套 ； 6. 研制出 具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主運動能力 的仿生機器人樣機；提出仿生爬行機器人微納系統(tǒng)設(shè)計、研制與檢測 基本 理論體系 ； 7. 進行系統(tǒng)總體分析，給出 實驗分析報告 。 23 一、研究內(nèi)容 關(guān)鍵科學問題： 1、微納結(jié)構(gòu)光機電特性的尺度效應(yīng)與建模 深入認識微納結(jié)構(gòu)的力學、光學、電學基本性