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1項目名稱： 微納光機電系統(tǒng)的仿生設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： 2011.1 至 2015.8依托部門： 中國科學院2二、預期目標1、總體目標本項目面向國民經(jīng)濟與國家安全領域?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模型，為微納光機電系統(tǒng)提供設計依據(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。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)的仿生設計與制造方法，并為減振降噪、自主導航和救援偵察等應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，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仿生微納光機電系統(tǒng)研究的創(chuàng)新團隊。2、五年預期目標預計經(jīng)過五年的努力，將從理論方法、技 術實現(xiàn)到應用目標取得 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，在國際相關研究領域取得領先地位。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 伍建設方面，造就出一批具有國際水平的跨學科學術帶頭人，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的理論模型， 為微納光機電系統(tǒng)優(yōu)化設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)、光導航微納器件、爬行機器人微納系統(tǒng)的仿生設計與制造提供生物學基礎。? 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。3? 以壁虎、昆蟲等生物的感知、控制與爬行能力為模仿對象， 設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%。? 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?0.2 度， 紅外探測分辨率優(yōu)于 0.05K。4三、研究方案1、學術思路 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的性能，這時由于微納尺度效應使許多原來對普通光機電系統(tǒng)沒有太大影響的效應被凸顯出來，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 電學等各種效應與微納結(jié)構(gòu)尺度之間的關系，才能有針對性地進行微納光機電系統(tǒng)設計。在尺度效應分析的基礎對普通光機電系統(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)和各種光機電效應機理，以及生物在復雜環(huán)境中的感知、判斷、捕食、偽裝、規(guī)避和適應能力，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系，這是“知其然 ”。同時，還要將這些生物效應與微納尺度效應聯(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，在設計中抓住關鍵特征結(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5電路技術和微加工技術已經(jīng)非常成熟，納米技術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，但是微米技術和納米技術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。有了創(chuàng)新的思路、好的設計方法和制造工藝， 還應該進行實驗驗證和應用。因此，我們選擇了具有較好研究基礎的降噪微納結(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用前景的新型微納光機電系統(tǒng)實驗樣機。2、技術途徑? 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，在此基礎上發(fā)展跨越微納尺度的統(tǒng)一的計算和模擬方法。技 術途徑分為三個步驟，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)果與相應經(jīng)典連續(xù) 介質(zhì)模型的結(jié)果進行反復比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。這種模型原則上應當能夠反映微米結(jié)構(gòu)的全部光機電特性，并能與相應 的實驗事實相符合。在以上兩個步驟的基礎上，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，對于較復雜的納米結(jié)構(gòu)單元制備采用模板－組裝的集成技術，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 MEMS 干法刻蝕技術為主，與納米壓印技 術、聚焦離子束直寫技 術 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， 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、應力、光照、電磁場等）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；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 CT、環(huán)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) 生與吸收的關聯(lián)，分析振 動8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 MEMS 技術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)為技術指標，對該方案進行優(yōu)化設計。根據(jù)微米技術和納米技術各自的特點，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，在此基礎上通過納米按需制造技術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 和計算機三維重建等技術，對蜣螂和沙蟻 的復眼形態(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。在此基礎上，探索微納結(jié)構(gòu)光敏感效 應的基本規(guī)律和仿生設計途徑，建立相應的數(shù)學模型和系統(tǒng)仿真模型。針對應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件微納制造工藝設計，在充分考慮與光電器件工藝兼容性的基礎上優(yōu)化設計方案，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（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）運用 X 射線光電子能譜儀（XPS）等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)關系，為研制仿生爬行機器人及工作于各種復雜環(huán)境下的其它特種機器人提供科學依據(jù)。10在本項研究中將以壁虎、昆蟲為仿生對象，研究微 納尺度效應和物理、化學、生物敏感機理，通過理論分析和實驗研究設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)電生理學技術和信號分析技術研究動物運動神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及其運動行為的 CPG 控制模式， 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)尺度效應之間的關系，使微納尺度下的仿生設計和制造成為可能。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)仿生設計和制造的理論與方法，并研制出實驗樣機。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XPS建立數(shù)學模型選擇優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖 9 本項目開展動物粘附爬行機理及仿生研究的技術路線113、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，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)技術與仿生學的大幅度學科交叉，將國內(nèi)不同領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)的關鍵科學問題和技術難關的方式，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12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； 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)的技術難關。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)中的技術難關另辟蹊徑，發(fā)明出三種具有自主知識產(chǎn)權的新型微納光機電系統(tǒng)。13課題設置各課題間相互關系本項目將系統(tǒng)地針對微納光機電系統(tǒng)的設計理論、仿生原理和制造方法開展研究，因此首先設立了三個 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。然后，運用前面三個課題發(fā)展出來的設計 依據(jù)、仿生思路和工 藝基礎，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，因此設立了后面三個應用目標明確的課題：降噪微納結(jié)構(gòu)的仿生設計與制造；仿生光導航微納器件的設計與制造；爬行機器人微納系統(tǒng)的設計與制造。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)的關鍵 科學問題，同 時為減振降噪、自主導航和救援偵察等應用領域提供新型光機電系統(tǒng)樣機。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)與仿生機理設計思路設計依據(jù)工藝基礎課題五：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)圖 10 各課題之間的相互依存關系14課題 1、微納結(jié)構(gòu)的功能特性與數(shù)學模型預期目標：在實驗研究、理論分析和計算機模擬的基礎上發(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 耦合響應的理論模型， 為本項目涉及的微納光機電系統(tǒng)優(yōu)化設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 MEMS 測試芯片 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；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理論模型；應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)光電響應的多尺度模擬15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)化設計與可靠性分析。經(jīng)費比例：15%承擔單位：中國科學技術大學、大連理工大學課題負責人：何陵輝學術骨干：、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16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)的設計與制造提供仿生學基礎。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， 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)的設計與制造提高仿生學思路。174）生物皮毛微納結(jié)構(gòu)與降噪機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理，為減振降噪微納米結(jié)構(gòu)的設計與制造提供思路。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)權的微納結(jié)構(gòu)的仿生構(gòu)筑技術，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的硅基微納結(jié)構(gòu)器件，為其他相關課題組提供微納結(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 MEMS 微加工技術制造圖 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)筑的前沿技術著重解決硅微加工工藝與納米生長技術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”的微加工技術與“自下而上 ”的納米制造技術相結(jié)合的新途徑，結(jié)合仿生制造技 術，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/界面效應和尺度效應，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)的相關性， 闡明微納結(jié) 構(gòu)優(yōu)化設計與其光、電、敏感功能提升的新方法。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)的仿生設計與制造預期目標：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上，設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上，設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上，在硅基19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，為設計高性能微納復合降噪結(jié)構(gòu)提供理論和技術支持。3）主被動結(jié)合、微納米復合的降噪結(jié)構(gòu)設計與制作根據(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，設計并制作主被動結(jié)合、微納米復合的硅基降噪結(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。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計與制造預期目標：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)敏感效應的基本規(guī)律和仿生設計途徑，建立相應的數(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 FPA 制造工藝的基礎上，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。20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， 為微納米復眼導航和識別器件設計提供理論指導。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、頻域的響應特性關系。3）光導航微納敏感器件的仿生設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，設計仿沙蟻偏振光復眼導航器件、仿響尾蛇的非制冷紅外成像器件結(jié)構(gòu)，并應用課題 3 的工藝條件進行工藝實施。主要根據(jù)沙蟻復眼的偏振視神經(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上，通 過結(jié)構(gòu) 優(yōu)化設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21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 光電器件設計和改進提供實驗支撐；微弱信號檢測和增強技術，提高器件的性能；并對不同模式下的微納米復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、中國科學技術大學課題負責人：褚金奎學術骨干：張青川、梁海弋、王兢、崔巖課題 6、爬行機器人微納系統(tǒng)的設計與制造預期目標：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)設計方案，并 進行工藝實 施。模仿 動物運動的CPG（Central pattern generator）模式，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)設計提供依據(jù)。2）爬行機器人微納系統(tǒng)設計與制造22利用課題 1 建立的微納結(jié)構(gòu)分析、設計工具對微納粘附陣列進行仿生設計，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，采用虛擬樣機技術設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 CPG 控制模仿動物運動神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及其 CPG 控制模式， 實現(xiàn)微納米機器人基于力反饋和 CPG 的運動協(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：梅濤學術骨干：郭策、郭東杰、于敏、林新 華23四、年度計劃年度 研究內(nèi)容 預期目標第一年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. 獲得一批相關結(jié)構(gòu)的微納米級形貌結(jié)構(gòu)圖及其相關功能的基礎數(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途徑和設計方案；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24年度 研究內(nèi)容 預期目標暮光下天空偏振光模式變化進行調(diào)研;設計制作 50 微米像素尺寸微梁陣列 FPA、光學和電子設備等；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)絡結(jié)構(gòu)及其 CPG 控制模式，發(fā)展仿生爬行機器人高可靠性虛擬樣機設計技術；設計微納粘附陣列，進行仿生機器人微納功能結(jié)構(gòu)有限元模擬分析。和圖像采集模塊的設計；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)設計的生物學依據(jù)；構(gòu)建出壁虎運動神經(jīng)網(wǎng)絡 CPG 控制模式，建立仿生爬行機器人設計虛擬樣機模型；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。第二年1. 研究復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的微小物體高精度操縱平臺和基于單片集成 MEMS 測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)化設計；完成單片集成 MEMS 測試芯片的設計和初步加工；2. 獲得一批相關結(jié)構(gòu)的微納米級25年度 研究內(nèi)容 預期目標察、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)設計原理的基礎上研究硅基微納結(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、 頻域的響應特性關系；搭建天空偏振光測試系統(tǒng)，實現(xiàn)多模式天空形貌結(jié)構(gòu)圖及其相關功能的基礎數(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26年度 研究內(nèi)容 預期目標偏振光的測量；開展圖像采集模塊的軟件的開發(fā)；6. 模仿動物運動的 CPG 模式，展開微納米機器人基于力反饋和 CPG的運動協(xié)調(diào)策略研究；利用多物理耦合場有限元分析技術模擬分析仿生 CPG 運動控制系統(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。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計制作；6. 構(gòu)建基于力反饋和 CPG 的運動協(xié)調(diào)策略控制系統(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。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；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)，為仿生微納設計奠定基礎；2. 獲得一批相關結(jié)構(gòu)的微/納米級形貌結(jié)構(gòu)圖及其相關功能的基27年度 研究內(nèi)容 預期目標開展微力、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)定性與材料關鍵性能的依賴關系；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. 設計并制作主被動結(jié)合、微納米復合的降噪結(jié)構(gòu)；5. 設計仿沙蟻偏振光復眼導航器件、仿響尾蛇的非制冷紅外成像器件結(jié)構(gòu)，并應用課題 3 的工藝技術進行工藝實施；改進紅外成像系統(tǒng)，實現(xiàn)微梁像素和 CCD 像素1：1 光學成像，進行新的 FPA 的紅外成像實驗；6. 進行爬行機器人微納粘附陣列仿礎數(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. 設計并制作主被動結(jié)合、微納米復合的硅基降噪結(jié)構(gòu)，并測試其降噪性能；5. 結(jié)合 MEMS 體硅加工工藝，給出仿昆蟲復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)；28年度 研究內(nèi)容 預期目標生設計與制備；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?；窘⑴佬袡C器人性能測評試驗臺及測評體系。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模型；微納結(jié)構(gòu)交接面的力學分析和設計；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；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計依據(jù)；為系統(tǒng)集成和設計提供依據(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)設計提供計算和模擬手段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，確定關鍵工藝參數(shù)；揭示微納結(jié)構(gòu)響應行為與結(jié)構(gòu)29年度 研究內(nèi)容 預期目標方法及提高微納結(jié)構(gòu)光、電、化學等響應的新方法；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)化設計與制造方法；5. 研究智能信息處理方法，并建立相應的實驗測試與標定系統(tǒng)，并對不同模式下的微納米復眼偏振導航器件的性能進行測試和標定；對于 FPA 需進一步分析、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。的相關性；4. 完成硅基微納結(jié)構(gòu)減振降噪膜片的優(yōu)化設計，并加工出可組裝的模塊化樣品；5. 搭建相應的測試平臺，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 1-2 套；獲得可以進行自主熱成像的紅外仿生模塊，其指標為 320x240 陣列的 50 微米像素 FPA，溫度分辨率達到 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；研制出具有實驗環(huán)境中感知、智能控制能力的微納米爬行機器人樣機。30年度 研究內(nèi)容 預期目標第五年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 2-4 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)的設計與制造提供仿生學基礎；3. 深入研究微納陣列結(jié)構(gòu)與性能的相關性；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)的應用探索研究；5. 結(jié)合研究得到的天空偏振光分布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)化設計；模型預測結(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 4-6 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)設計、研制與檢測基本理論體系；31年度 研究內(nèi)容 預期目標規(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計；研究微納米器件制備和組裝技術和機器人微納功能器件實時檢測技術；構(gòu)建仿生微納結(jié)構(gòu)、器件、系統(tǒng)設計基本理論；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)。7. 進行系統(tǒng)總體分析，給出實驗分析報告。32一、研究內(nèi)容關鍵科學問題：1、微納結(jié)構(gòu)光機電特性的尺度效應與建模深入認識微納結(jié)構(gòu)的力學、光學、電學基本性質(zhì)與尺度效應，及其光機 電耦合特性。在計算機模擬和物理 實驗的基礎上，建立能夠正確反映尺度效應的微納結(jié)構(gòu)生長和光機電響應的實用理論模型，為生物結(jié)構(gòu)功能機理的深入認識奠定理論基礎， 為微納光機電結(jié) 構(gòu)、器件與系 統(tǒng)提供有效的分析、設計工具。2、生物特殊功能與其微納組織結(jié)構(gòu)的關系及仿生機理針對壁虎、沙蟻、蜣螂、貓頭鷹等生物在爬行、導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)的關系，進一步揭示生物功能效應機理， 發(fā)現(xiàn)關鍵的微納功能結(jié)構(gòu)，為微納光機電結(jié)構(gòu)、器件和系統(tǒng)的設計提供仿生思路。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)制造技術與硅微加工技術相結(jié)合中，硅基微納結(jié)構(gòu)跨尺度制造的表面/界面效應和尺度效應，解決硅微加工工 藝 與基于物理、化學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。主要研究內(nèi)容：本項目將系統(tǒng)地針對微納光機電系統(tǒng)的仿生原理、設計理論和制造方法開展研究。首先，將從微納尺度效應分析入手，建立微納結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型，為微納光機電系統(tǒng)提供設計依據(jù)。同 時，在微 納光機電系統(tǒng) 的設計思路方面借鑒生物奇妙的微納結(jié)構(gòu)，為微納光機 電系統(tǒng)提供創(chuàng)新設計思路。然后， 針對微納系統(tǒng)制造中的關鍵工藝開展硅基納米結(jié)構(gòu)按需制造方法研究，為實現(xiàn)微納集成制造提供工藝基礎。最后，從微納功能結(jié)構(gòu)、器件和系 統(tǒng)三個 層次建立仿生設計與制造方法，并制作出降噪微納結(jié)構(gòu)、光導航微納器件、爬行機器人微納系統(tǒng)實驗樣機，對本項目發(fā)展的仿生設計與制造方法進行實驗驗證，同時為減振降噪、自主導航和救援偵察提供新型光機電系統(tǒng)實驗樣機。1、微納結(jié)構(gòu)的功能特性與數(shù)學模型采用實驗測試、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、光學、電學特性，建立描述微納結(jié)構(gòu)尺度效應和相互作用特性的基本理 論和模型。針對 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)值模擬和原理實驗，研究機電信號驅(qū)動下微 納結(jié)構(gòu)的主動變形和力學行為，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 納粘附陣列提供設計依據(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，建立偏振光電磁場在亞波長光柵中的尺度限制和界面效應理論模型，結(jié)合數(shù)值模擬和實驗測試結(jié)果，為偏振光導航微納傳感器提供設計依據(jù)?；谖⒔M織演化動力學的觀點，利用分子動力學和相場模擬方法，表征微納尺度材料的本構(gòu)關系，建立其精 細結(jié)構(gòu)形貌形成、 穩(wěn)定性、演化與組裝的相場動力學分析工具，為納米結(jié)構(gòu)的按需制造提供工藝設計參考。2、生物組織的微納結(jié)構(gòu)與仿生機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、運動力學、粘附和脫附機理， 認識不同 動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)對粘附和脫附性能的影響，為研制具有“強吸附”和“易脫附” 性能仿生粘附陣列提供仿生學理論基礎和數(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 外光條件下的光導航機理，及其與微納結(jié)構(gòu)的關系，為設計能夠在日光、月光和黑暗環(huán)境下工作的自主導航器件提供理論基礎。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計參考。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/界面效應和尺度效 應，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，為按需制造微納結(jié)構(gòu)提供工藝設計基礎。研究微納結(jié) 構(gòu)形態(tài)、排列及其表面修飾（包括官能團的接枝）與光電性質(zhì)的相關性，闡明微 納結(jié)構(gòu)演變與其光電功能形成的關系，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 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)的工藝設計提供依據(jù)，并為實現(xiàn)微納集成制造提供工藝基礎。并通過對生物 組織自生長行為的規(guī)律性認識，探索仿生制造的可能途徑。4、仿生微納光機電結(jié)構(gòu)、器件與系統(tǒng)的設計、制造與驗證根據(jù)貓頭鷹體表結(jié)構(gòu)及其與降噪機制的關系，運用微納結(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設計方案。綜合分析降噪結(jié)構(gòu)的尺度效應和工藝方案的成熟性，以降噪效果為目標對結(jié)構(gòu)設計方案進行優(yōu)化，并實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 航器件的設計方案。采用微納光柵和紅外光敏感陣列制作工藝， 進行集成化硅基光 導航器件微納制造工藝設計，在充分考慮與光電器件工藝兼容性的基礎上優(yōu)化設計方案，并制作出仿生光導航微納器件。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)設計方案，并進行工藝實施。模仿動物運動的 CPG（Central pattern generator）模式， 實現(xiàn)爬行機器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主運動，制造出能夠進入窄小空間、任意方位爬行的仿生機器人系統(tǒng)實驗樣機。