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靈長類指紋當靈感 興大材料系開發新穎仿生材料

中興大學材料系薛涵宇助理教授(中)與研究室團隊合影。圖/興大提供
中興大學材料系薛涵宇助理教授(中)與研究室團隊合影。圖/興大提供

中興大學材料系助理教授薛涵宇投入4年時間,從靈長類的指紋獲得靈感,開發出新穎的濕式釋放誘導皺褶生成技術,可製成具同心圓皺褶排整的仿指紋塗層,應用在乾式黏著具有可重複使用、表面自清潔、柔軟、耐用與全角度黏著等特性,未來可應用在仿生皮膚、乾式黏著元件與抗菌、抗藻塗層等,具高度應用潛力,並於日前榮獲興大懷璧獎肯定。

目前學界針對智能機器人的皮膚科學研究,多半集中在電訊號傳遞、環境應答等類神經網絡研究,對仿生皮膚表面結構對物性的影響著墨甚少。

薛涵宇表示,他的研究主要在以獨創的「濕式釋放製程」去模仿並製備仿指紋的排列,進而探討不同皺褶排整對表面摩擦力的影響,這項獨特創新的研究成果也仿生材料開發揭示了嶄新的方向。

薛涵宇的開發靈感,源自天冷戴手套拿取蘋果時,發現手套上平行排列的橡膠止滑條,雖有助於縱向的止滑,但卻無法橫向止滑;反觀靈長類獨有的指紋結構,多半會呈現同心圓狀,這有助全角度的摩擦力表現,讓靈長類的手指更能適應不同的環境與施力需求。

此外,靈長類抓取時,指紋可預留多餘的皮膚表面積,以應付抓握時產生的型變,避免抓握時產生過大的局部應力累積,導致皮膚拉扯破裂,同時指尖的皺褶結構亦可幫助表面排水,有助於水中抓撈物品,以及攀爬濕滑表面。

他表示,現階段製備微米級表面溝槽結構的方法很多,如微機電製程,但多半需要昂貴的高真空環境與設備,相對耗時且無法製備大範圍皺褶型態,不利於工業化應用。

薛涵宇用微機電製程所得到的溝槽,其溝槽形貌為長方體,尖銳的邊角容易在多次使用下變形毀損,所開發的製程可得到如波浪般圓潤且低深寬比的皺褶型態,型態可承受多次使用而不易毀損,更重要的,自發生成的類同心圓的回字形皺褶排整,與靈長類指紋相似,這是其他製程很難得到的表面型態。

實驗結果也證明,回字形皺褶排整的確有助於表面黏著特性的增強,具備全角度的黏著行為而無死角,該研究已刊登於美國化學學會「應用材料與界面期刊」(ACS Applied Materials & Interfaces),並獲選為當期補充封面故事。

薛涵宇說,透過此套製程,團隊已開發出高分子材料組成的皺褶表面、多孔皺褶陶瓷表面、超疏水皺褶表面等各種新穎仿生材料,多孔皺褶陶瓷因具有親水性及較佳的環境抗性,可實際運用於細胞排整、微流控芯片、胎紋排水、防眩光結構和光電元件;超疏水皺褶表面,具防污與自清潔等功用,可運用於抗菌塗層、水中抗藻與金屬防蝕。

論文連結: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c04286 

中興大學材料系助理教授薛涵宇,開發出新穎的濕式釋放誘導皺褶生成技術。圖/興大提供
中興大學材料系助理教授薛涵宇,開發出新穎的濕式釋放誘導皺褶生成技術。圖/興大提供

中興大學 皮膚科

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