(57)【要約】本名発明によって、組立マイクロ構造体であって、以下：約６０ナノニュートンと約２，０００ナノニュートンとの間の接着力を表面で提供し得る少なくとも１つの突出部；および  支持表面に対して斜角をなして該突出部を支持する軸柄部を備え、それによって、該マイクロ構造体が様々な表面に接着し得る、組立マイクロ構造体が提供される。別の局面において、本発明は、組立マイクロ構造体であって、以下：  複数の突出部であって、突出部の各々が、約６０ナノニュートンと約２，０００ナノニュートンとの間の接着力を表面で提供し得る、複数の突出部分；および  支持構造体に対して斜角をなして該突出部の各々を支持する軸柄部を備える、組立マイクロ構造体を提供する。
2006505414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組立マイクロ構造体であって、以下：
約６０ナノニュートンと約２，０００ナノニュートンとの間の接着力を表面で提供し得る少なくとも１つの突出部；および
支持表面に対して斜角をなして該突出部を支持する軸柄部
を備え、それによって、該マイクロ構造体が様々な表面に接着し得る、
組立マイクロ構造体。
【請求項２】
組立マイクロ構造体であって、以下：
複数の突出部であって、突出部の各々が、約６０ナノニュートンと約２，０００ナノニュートンとの間の接着力を表面で提供し得る、複数の突出部分；および
支持構造体に対して斜角をなして該突出部の各々を支持する軸柄部
を備える、組立マイクロ構造体。
【請求項３】
前記軸柄部が、約０．５ミクロンと約２０ミクロンとの間の長さおよび約５０ナノメートルと約２．０ミクロンとの間の直径を有する、請求項２に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項４】
前記突出部が、分子間力によって前記表面に接着する、請求項２に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項５】
前記斜角が、約１５°と約７５°との間である、請求項２に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項６】
前記斜角が、約３０°と約６０°との間である、請求項５に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項７】
前記斜角が、約３０°である、請求項５に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項８】
組立マイクロ構造体であって、以下：
突出部のアレイおよび
軸柄部を備え、
該アレイは、約１０ミクロン未満の幅を有し、そして、該アレイの突出部の各々が、分子間力によって表面で接着力を提供し得；そして、
該軸柄部は、支持シャフトに対して斜角をなして該突出部の各々を支持する、
組立マイクロ構造体。
【請求項９】
前記軸柄部が、約０．５ミクロンと約２０ミクロンとの間の長さおよび約５０ナノメートルと約２．０ミクロンとの間の直径を有する、請求項８に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項１０】
前記シャフトが、約１ミクロンと約５００ミクロンとの間の長さおよび約１ミクロンと約１０ミクロンとの間の直径を有する、請求項９に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項１１】
部材のアレイを備える組立マイクロ構造体であって、部材の各々は、支持表面に対して斜角をなして突出部を支持し；そして突出部の各々は、約６０ナノニュートンと約２，０００ナノニュートンとの間の接着力を表面で提供し得る、組立マイクロ構造体。
【請求項１２】
前記突出部の末端部が、以下：
球体の曲面セグメント、球体の扁平セグメント、球体、扁平表面および円筒体の末端部の形態
からなる群より選択される形状を有する、
請求項１１に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項１３】
軸柄部のアレイを備える組立マイクロ構造体であって、該軸柄部は、約５０ナノメートルと約２．０ミクロンとの間の直径、約０．５ミクロンと約２０ミクロンとの間の長さを有し；軸柄部の各々は、支持表面に対して斜角をなしてスパチュラを支持し；そして、該スパチュラは、接着力を提供する末端部を有する、組立マイクロ構造体。
【請求項１４】
組立マイクロ構造体であって、以下：
支持表面から斜角をなして伸延している複数のシャフト；
該支持体に隣接するシャフト末端と対向するシャフトの末端部から斜角をなして伸延している複数の軸柄部；
該シャフトに隣接する軸柄部末端部に対向する軸柄部の末端に形成される少なくとも１つの突出部；
を備え、
ここで、該突出部は、分子間力によって表面で接着力を提供し得る、
組立マイクロ構造体。
【請求項１５】
前記シャフトの直径が、約１ミクロンと１０ミクロンとの間であり、そして該シャフトの長さが、約１ミクロンと５００ミクロンとの間である、請求項１４に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項１６】
前記軸柄部の直径が、約５０ナノメートルと２．０ミクロンとの間であり、そして該軸柄部の長さが、約０．５ミクロンと２０ミクロンとの間である、請求項１５に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項１７】
前記シャフトから軸柄部が伸延する角度が、約１５°と約７５°との間である、請求項１４に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項１８】
前記シャフトから軸柄部が伸延する角度が、約３０°と約６０°との間である、請求項１７に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項１９】
前記シャフトから軸柄部が伸延する角度が、約３０°である、請求項１７に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項２０】
前記支持表面が可撓性である、請求項１４に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項２１】
前記突出部の末端部が、６０ナノニュートンと２，０００ナノニュートンとの間の接着力を提供し得る、請求項１４に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項２２】
前記突出部が、約０．１ギガパスカルと２０ギガパスカルとの間のヤング率を有する、請求項１４に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項２３】
前記突出部が、疎水性である、請求項１４に記載の組立マイクロ構造体。
【請求項２４】
接着マイクロ構造体を製造する方法であって、該方法が、以下の工程：
軸柄部のアレイを製造する工程
を包含し、そして、
該軸柄部が、支持表面に対して斜角をなして突出部を支持し、ここで、該突出部が表面で接着力を提供するように、該軸柄部のアレイが形成される、
方法。
【請求項２５】
前記製造する工程が、テンプレートを使用して前記軸柄部のアレイを構築する工程を包含する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記製造工程が、ポリマーを用いて前記テンプレートを成形する工程を包含する、
請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記テンプレートが、該テンプレートを変形させる応力および温度の下でせん断される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記テンプレートの各側面が、角度をなして研磨される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記製造工程が、刻印付け技術を使用して前記シャフトのアレイを構築する工程を包含する、請求項２４に記載の方法。
【請求項３０】
接着マイクロ構造体を製造する方法であって、以下：
斜角をなして複数の軸柄部を支持するシャフトを有する構造体を成形する工程；
該構造体を取り出して、テンプレートを提供する工程；
該テンプレートをポリマーを使用して成形する工程；および
該ポリマーから該テンプレートを分離して、該マイクロ構造体を形成する工程；
を包含する、方法。
【請求項３１】
前記シャフトが、ミクロスケールで高いアスペクト比の部材を含み、そして、前記軸柄部がナノスケールの高いアスペクト比の部材を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記ポリマーが、液状ポリマーまたはスパッタリング処理されたポリマーである、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
接着マイクロ構造体を製造する方法であって、該方法は、以下：
第１の直径を有してかつ第１のテンプレートの表面に対して斜角をなす第１セットのポアーを有する第１のテンプレートを、第１の直径未満の第２の直径を有する第２のセットのポアーを有する第２のテンプレートにつなぐ工程であって、
該第２のセットのポアーは、該第１のセットのポアーに対して斜角をなして形成する、工程；
該第１のテンプレートおよび該第２のテンプレートを成形する工程；ならびに
該テンプレートを取り除いて該マイクロ構造体を形成する工程
を包含する、方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法であって、前記第１のセットのポアーは、約１ミクロンと約１０ミクロンとの間の直径、および約１ミクロンと約５００ミクロンとの間の長さを有し、かつ、ここで、第２のセットのポアーは、約５０ナノメートルと約２．０ミクロンとの間の直径および約０．５０ミクロンと約２０ミクロンとの間の長さを有する、方法。
【請求項３５】
前記第１のテンプレートおよび第２のテンプレートが、ポリマーを用いて成形される、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記第１のテンプレートおよび第２のテンプレートが、ボンディングによってつながれる、請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
接着マイクロ構造体を製造する方法であって、該方法は、以下：
２つの異なるポリマーを含むナノポアーアレイを自己組織化させる工程；および
該アレイをせん断して、該ポリマーのうちの１つを取り除いてマイクロ構造体を形成する工程であって、該マイクロ構造体は、軸柄部のアレイを有し、そして、該軸柄部は、斜角をなして少なくとも１つの突出部を支持し得る軸柄部を備え、ここで、該突出部が分子間力によって表面で接着力を提供する工程
を包含する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、２００２年５月１３日に出願した、米国特許仮出願第６０／３８０，５９５号（これは、参考として本願明細書中で援用される）の先の出願日の利益を主張する。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、ＤＡＲＰＡによって与えれた補助金Ｎ６６００１−０１−Ｃ−８０７２のもと、政府の援助によって成された。政府は、本発明に対して特定の権利を有する。
【０００３】
（本発明の簡単な説明）
本発明は、一般に、マイクロスケールおよびナノスケールの構造体の製造および使用に関する。より具体的には、本発明は、組立接着マイクロ構造体に関する。
【背景技術】
【０００４】
（背景）
接着剤の改善に対する継続的な必要性が存在する。改善された接着剤は、生活の日常的な局面（例えば、テープ、ファスナー、および玩具）から先端技術（例えば、半導体ウエハから微細な粒子を取り除くこと、可搬型（ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇ）ファイバー光学デバイス、およびサブミリメートル機構体（ｓｕｂ−ｍｍ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）の組立、特に、微細加工構成要素、または標準型のグリッパー、接着剤もしくは内面切削装置（ｖａｃｕｕｍ  ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）を許容しない構成要素を含むもの）まで及ぶ用途を有する。
【０００５】
接着機構は、本質的に、研究されてきたが、完全に理解または利用されてはいない。例えば、ヤモリは、滑らかな垂直面をすばやく登ることができる点において珍しいものである。このヤモリ、アノリストカゲ（Ａｎｏｌｉｓ  ｌｉｚａｒｄ）、いくつかのトカゲ、およびいくつかの昆虫において用いられている接着機構は、ほぼ１００年にわたって議論の的となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ヤモリおよび他の昆虫によって利用される接着力（ａｄｈｅｓｉｖｅ  ｆｏｒｃｅ）の機構を同定および探求することが非常に望まれている。このような情報は、新規の接着性マイクロ構造体の利用およびこのような構造体の製造に至り得る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（概要）
１つの局面において、本発明の実施形態は、組立マイクロ構造体を特徴とする。このマイクロ構造体は、少なくとも１つの突出部分を備え、この突出部分は、約６０ナノニュートンと約２，０００ナノニュートンとの間の接着力を表面で提供し得る。その軸柄部（ｓｔａｌｋ）が、支持表面に対して斜角をなして突出部を支持し、それによって、このマイクロ構造体は、様々なな表面に接着し得る。
【０００８】
別の局面において、本発明の実施形態は、複数の突出部を備えるマイクロ構造体を特徴とする。この突出部の各々は、約６０ナノニュートンと約２，０００ナノニュートンとの間の接着力を表面で提供し得る。軸柄部は、支持構造体に対して斜角をなして突出部の各々を支持する。
【０００９】
本発明の種々の実施形態は、１個以上の次のような特徴を備え得る。その軸柄部は、約０．５ミクロンと約２０ミクロンとの間の長さ、および約５０ナノメートルと約２．０ミクロンとの間の直径を有している。それらの突出部は、分子間力によってその表面に接着する。その斜角は、約５０°と約７５°との間、約３０°と約６０°との間、または約３０°である。
【００１０】
別の曲面において、本発明の実施形態は、突出部のアレイを備える組立マイクロ構造体を特徴とする。そのアレイは、約１０ミクロン未満の幅を有し、そして、そのアレイの突出部の各々が分子間力によって表面で接着力を提供し得る。軸柄部は、支持シャフトに対して斜角をなして突出部の各々を支持する。
【００１１】
本発明の種々の実施形態は、１以上の以下の特徴を有し得る。その軸柄部は、約０．５ミクロンと約２０ミクロンとの間の長さ、および約５０ナノメートルと約２．０ミクロンとの間の直径を有する。そのシャフトは、約１ミクロンと約５００ミクロンの長さ、および約１ミクロンと約１０ミクロンとの間の直径を有する。
【００１２】
なお別の局面において、本発明の実施形態は、部材のアレイを備える組立マイクロ構造体を特徴とする。部材の各々は、その支持表面に対して斜角をなして突出部を支持する。突出部の各々が、表面で、約６０ナノニュートンと約２，０００ナノニュートンとの間の接着力を提供し得る。
【００１３】
本発明の種々の実施形態は、１以上の以下の特徴を備え得る。その突出部の末端部は、以下からなる群より選択される形状を有し得る：球体の曲面セグメント、球体の扁平セグメント、球体、扁平表面、および円筒体の末端部。
【００１４】
なお別の局面において、本発明の実施形態は、軸柄部のアレイを備える組立マイクロ構造体を特徴づける。これらの軸柄部は、約５０ナノメートルと約２．０ミクロンとの間の直径、および約０．５ミクロンと２０ミクロンとの間の長さを有する。軸柄部の各々は、支持表面に対して斜角をなしてスパチュラを支持する。このスパチュラは、接着力を提供する末端部を有する。
【００１５】
さらなる局面において、本発明の実施形態は、支持表面から斜角をなして伸延している複数のシャフトを備える組立マイクロ構造体を特徴とする。その支持表面に隣接するシャフト末端部に対向するシャフトの末端から斜角をなして、複数のシャフトが伸延する。少なくとも１つの突出部が、そのシャフトに隣接する軸柄部末端に対向する軸柄部末端部の末端で形成される。その突出部は、分子間力によって表面における接着力を提供し得る。
【００１６】
本発明の種々の実施形態は、以下の特徴のうち１つ以上を備え得る。そのシャフトの直径が、約１ミクロンと１０ミクロンとの間であり、そしてそのシャフトの長さが、約１ミクロンと約５００ミクロンとの間である。この軸柄部の直径は、約５０ナノメートルと約２．０ミクロンとの間であり、その軸柄部の長さは、約０．５ミクロンと約２０ミクロンとの間である。その軸柄部が、そのシャフトから伸延する角度は、約５０°と約７５°との間、約３０°と６０°との間、または約３０°である。
【００１７】
その支持表面は、可撓性である。その突出部の末端部は、約６０ナノニュートンと約２，０００ナノニュートンとの間の接着力を提供し得る。その突出部は、約０．１ギガパスカルと２０ギガパスカルとの間のヤング率を有する。その突出部は、疎水性である。
【００１８】
なお別の局面において、本発明の実施形態は、接着マイクロ構造体を製造する方法を特徴とする。この方法は、軸柄部のアレイを製造する工程、および軸柄部を、斜角をなして支持表面に対して支持して、その突出部が表面で接着力を提供するようにこの軸柄部のアレイを形成する工程を包含する。
【００１９】
本発明の種々の実施形態は、以下の特徴のうち１つ以上を備え得る。軸柄部のアレイは、テンプレートを使用して構築される。このテンプレートはポリマーを使用して成形される。このテンプレートは、それを変形させる応力および温度の下でせん断される。このテンプレートは、角度をなして研磨される。シャフトのアレイは、刻印付け技術を用いて構築される。
【００２０】
別の局面において、本発明の実施形態は、接着マイクロ構造体を製造する方法を特徴とする。この方法は、斜角をなして複数の軸柄部を支持するシャフトを有する構造体を成形する工程を包含する。この構造体が取り除かれて、テンプレートが提供される。このテンプレートは、ポリマーを用いて成形され、そして、このテンプレートは、そのポリマーから分離されて、そのマイクロ構造体を形成する。
【００２１】
本発明の種々の実施形態は、以下の特徴のうち１つ以上を備え得る。これらのシャフトは、マイクロスケールで高アスペクト比の部材を備え、それらのシャフトは、ナノスケールで高アスペクト比の部材を備える。そのポリマーは、液状ポリマーまたはスパッタリング処理されたポリマーである。
【００２２】
なお別の局面において、本発明の実施形態は、接着マイクロ構造体を製造する方法を特徴づける。この方法は、第１の直径を有してかつ第１のテンプレートの表面に対して斜角をなす第１セットのポアーを有する第１のテンプレートを、第２のテンプレートにつなぐ工程を包含する。この第２のテンプレートは、第１の直径未満の第２の直径を有する第２のセットのポアーを有し、そして、その第２のセットのポアーは、第１のセットのポアーに対して斜角をなす。その第１のテンプレートおよび第２のテンプレートが、成形されて、そして、それらのテンプレートが取り除かれて、そのマイクロ構造体が形成される。
【００２３】
本発明の種々の実施形態は、以下の特徴のうち１つ以上を備え得る。その第１のセットのポアーは、約１ミクロンと約１０ミクロンとの間の直径、および約１ミクロンと約５００ミクロンとの間の長さを有する。その第２のセットのポアーは、約５０ナノメートルと約２．０ミクロンとの間の直径および約０．５０ミクロンと約２０ミクロンとの間の長さを有する。それらの第１のテンプレートおよび第２のテンプレートは、ポリマーを用いて成形される。第１のテンプレートおよび第２のテンプレートは、ボンディングによってつながれる。
【００２４】
さらに別の局面において、本発明の実施形態は、接着マイクロ構造体を製造する工程を特徴とする。この方法は、２つの異なるポリマーを含むナノポアーアレイを自己組織化させる工程を包含する。このアレイが、せん断され、そして、それらのポリマーのうちの１つが、取り除かれ、マイクロ構造体を形成する。このマイクロ構造体は、軸柄部のアレイを有しており、その軸柄部は、斜角をなして少なくとも１つの突出部を支持し得る。その突出部は、分子間力によって、表面で接着力を提供する。
【００２５】
本発明の特定の実施形態は、以下の利点のうちの１つ以上を備える。組立マイクロ構造体は、粗面に対する接着における改善を提供するが、他方、ピーリングまたはプッシングによって比較的容易に解放される。その組立マイクロ構造体のいわゆる「ヘア（毛状体）」は、比較的高密度なアレイとしてパッキングされ得るが、互いにもつれることはない。
【００２６】
本発明の１以上の実施形態の詳細が、添付の図面および以下の説明において示される。本発明における他の特徴、目的および利点は、詳細な説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（詳細な説明）
本発明は、接着を達成するための微小組立構造体の使用に関する。特に、本発明は、組立柄様構造体（ｓｅｔａ−ｌｉｋｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を使用する。図１Ａおよび１Ｂに示されるように、柄様構造体１０は、軸柄部１２を備える。
【００２８】
スパチュラ（ｓｐａｔｕｌａ）または突出部１４が、その部材すなわち軸柄部１２の末端部に位置づけられる。また、スパチュラまたは突出部のアレイが、その軸柄部の末端に位置づけられ得る。その軸柄部は、支持表面１６に対して斜角（直角でも並行でもない角度）でスパチュラまたはスパチュラのアレイを支持する。この角度は、約１５°と約７５°との間であり、より好ましくは、約３０°と６０°との間である。この角度は、１つの実施形態において、３０°である。
【００２９】
その支持表面１６は、例えば、シャフトまたは接着基面（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）である。図１Ａおよび図１Ｂにおいて示されるように、この支持表面１６は、可撓性または順応性（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）の接着基面である。この接着基面は、ポリマー（例えば、ポリエステル、ポリウレタン、およびポリイミド）のような物質から作製され得る。
【００３０】
理想的には、スパチュラ１４の各々またはスパチュラのアレイのスパチュラの各々は、その末端に広がった面１８有する。その広がった面は、パドル状表面または扁平表面（図１Ａ）、球体の扁平表面、球体、円筒体の末端部または球体の曲面セグメント（図１Ｂ）の形態であり得る。スパチュラまたはスパチュラのアレイが、表面と緊密な接触を生むために、接着が生じる。
【００３１】
一般的に、その軸柄部１２は、長さにして、約０．５ミクロン（μｍ）と２０μｍとの間である。軸柄部の直径は、約５０ナノメートル（ｎｍ）と２．０μｍとの間である。支持シャフト（図１１を参照のこと）は、以下により詳細に議論されるように支持表面を形成し得る。この支持シャフトは、約１μｍ長と５００μｍ長との間であり得、好ましくは、約１０〜１５０μｍ長であり得る。このシャフトの直径は、約１μｍと１０μｍとの間である。
【００３２】
その軸柄部の末端部は、示されるように、少なくとも１つのスパチュラすなわち突出部を有する。突出部は、約６０ナノニュートンと約２，０００ナノニュートンとの間の接着力を表面で提供し得る。示されるように、軸柄部は、例えば、１００突出部を含むスパチュラのアレイを備え得る。この柄様構造体１０は、１と１，０００との間のスパチュラを有し得る。この構造体１０のスパチュラのアレイは、好ましくは、１０μｍ未満の幅で、好ましくは、約１μｍ幅である。
【００３３】
本発明の１本の剛毛によって生成される力は、約６０ナノニュートン〜約２００マイクロニュートン（μＮ）の間で変化し得る。示されるように、柄部は、約１と約１，０００との間のスパチュラを有する。したがって、スパチュラまたは突出部の各々によって提供される平均力は、約０．０６〜０．２０μＮであるか、すなわち約６０ナノニュートンと約２００ナノニュートンとの間である。最も悪い場合の効率は、６０ナノニュートンの接着する軸柄部上の単一のスパチュラである。より良い場合の効率は、１つの柄部上で１，０００のスパチュラであり、各々が２μＮの接着を伴い、１０％が張り付きして、正味として、２００μＮである。
【００３４】
Ｔｏｋａｙ  ｇｅｃｋｏ（Ｇｅｃｋｏ  ｇｅｃｋｏ）からの剛毛（ｓｅｔａ）の接着力は、初期接触間での、その３次元的な配向（スパチュラがその表面に向いているか、またはその表面から離れているか）およびその剛毛に予め荷重が与えられている（その表面に押しつけられ、そして、その表面に沿って引っ張らている）程度に依存する。その表面に平行な引っ張り力は、０．２に等しい摩擦係数を有する物質に代表的な不活性の非スパチュラ領域によって生じる力が法線方向の力すなわち垂直力とともに増大しすることを示す。
【００３５】
対照的に、活性スパチュラ領域は、その表面に対して突出する場合、その力は、２０〜６０倍で増加する。接触しつつその表面に平行に剛毛を引くことによって得られる力は、まず、剛毛がその表面に対して押されて、垂直方向予め荷重として与えられた力が提供される場合に増大する。この初期の垂直力は、その後の引かれる間で維持される必要はない。その表面に平行な剛毛の力は、その垂直方向に予め荷重として与えられた力と比例して増大する。
【００３６】
天然の剛毛をワイヤの表面から引き離す実験によって、垂直方向に予め与えられた荷重のみでは、容易に固定位置から移動させることを防ぐのには不十分であることを実証した。はじめに、その表面に押し付けられ、その後、その表面に対して平行に引かれた剛毛は、垂直方向のみに予め荷重を与えられたときの剛毛（０．６μＮ±０．７ＳＤ；Ｎ＝１７）よりも、その表面から引き離されるときに、１０倍を超える力（１３．６μＮ±２．６ＳＤ；Ｎ＝１７）を起こす。最も大きい平行方向の力が、数ミクロンのすべりの後のみで観察された。剛毛の力の生成において予め荷重をかけることの結果によって、後方変位と協働する小さな垂直方向の予め与えられた荷重または平行方向の荷重は、接着を「保証」するのに必要であり得ことを示唆する。予め荷重をかけることによって、表面に接触するスパチュラの数が増大すると考えられる。
【００３７】
その剛毛の方向はまた、脱離において重要である。天然の剛毛が表面から引き離されるときに生じる力は、同じ予めかけられた垂直方向の荷重が与えられた場合に表面の平行に引く間に測定された力と有意な差異を生じなかった。しかし、センサー表面から引くときに、同じような角度（３０．６°±１．８ＳＤ；Ｎ＝１７）および力で、剛毛が脱離したことが同定された。脱離の臨界角の存在について評価するために、その垂直方向の力を一定に保ち、他方、その剛毛の角度を、脱離するまで漸増的に増加させた。脱離ときの剛毛の角度が、ある範囲の垂直力に対して１５％だけ変化した。したがって、その脱離角は、約２５°と約３５°との間であり得る。したがって、脱離角値は、剛毛の構造に基づく。この構造において、天然に存在する剛毛のシャフトは、図２に記載されるように、スパチュラの表面に対して概して垂直である。この図２は、単一のヤモリの剛毛２０の拡大図である。この図は、その剛毛のシャフト２２が、シャフト２２の末端で位置づけられる天然に存在するスパチュラ２４に対して概して垂直であることを示す。その剛毛の方向の変化、あるいは、それらのスパチュラの形状さえも、脱離を促進し得る。
【００３８】
Ｔｏｋａｙ  ｇｅｃｋｏ（Ｇｅｋｋｏ  ｇｅｃｋｏ）の足は、約５０００剛毛／ｍ２を保持し得、そして、パッド（ｐａｄ）領域の約１００ｍｍ２で１０Ｎの接着力を生じ得る。したがって、各剛毛は、２０μＮの平均力および０．１Ｎｍｍ−２（〜１ａｔｍ）の平均応力を生じる。全ての剛毛が同時に接着することは殆どないので、実際の大きさは、ほぼ、これよりも大きい。
【００３９】
単一の剛毛の力を測定することによって、全ての剛毛が同時かつ最大限に接着した場合、ヤモリの１本の足は、１００Ｎ（約１０ａｔｍ）の接着力を生じる。別の言い方をすると、そのヤモリの足は、観測される最大の力（１０Ｎ）を生じ得るが、その剛毛の１０％のみが、最大限に接着する。
【００４０】
ヤモリの剛毛の力および特徴づけのさらなる議論は、米国特許出願第０９／６４４，９３６号において見出される。この出願は、２０００年８月２３日に出願され、「ＡＤＨＥＳＩＶＥ  ＭＩＣＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＦＯＲＭＩＮＧ  ＳＡＭＥ」と題され、本願の譲受人に譲渡された。この出願の開示ｘは、本願明細書中で、参考として援用される。
【００４１】
実際のヤモリの毛および人工のナノ突起物（ｎａｎｏ−ｂｕｍｐ）に関する最近の結果は、接着に関するファンデルワールス仮説と矛盾しない。人工のナノ突起物は、ＰＤＭＳ（シリコンゴム）および３００ｎｍのティップ半径（ｔｉｐ  ｒａｄｉｕｓ）を有するポリエステル突起物に対して１００〜３００ｎＮのオーダーの接着力を示した。したがって、１０８ｃｍ−２という突起物密度であると、３×１０５Ｎｍ−２の接着圧が、理論的には得られ、この接着圧は、人工壁クライミングにとっては十分である。しかし、人工突起物のアレイは、屈曲性のバッキング（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ  ｂａｃｋｉｎｇ）を用いたときでさえ、非平滑面（ｎｏｎ−ｓｍｏｏｔｈ  ｓｕｒｆａｃｅ）に接着しづらい。実際、２つの剛性の非平滑平面はたった３点で接触し、ナノ突起物のアレイの接着は、極めて小さいものであるとすることが、妥当である。各々のナノ突起物は、表面の高さの起伏に対して適応し得るべきである。それらの突起物を長くかつ薄く（ｓｋｉｎｎｙ）することよって、粗い面にもそれらは接着され得る。長く薄い突起物に伴う問題は、それらの突起物が、接触表面に関して互いにくっつき、残念ながら、もつれそして絡み合うようになることである。したがって、それらの突起物は、それらの突起物が互いに接着し合わないように作成される必要がある。本発明は、面に対しては良好に接着するが互いにはくっつかない「毛状体（ｈａｉｒ）」の設計および製造を記載する。
【００４２】
柄様構造体１０の末端部１８は、接触角には依存せずに、接触面に対して垂直な一定の接着力ＦＯ＝２００ｎＮを有するとされる（これは、図１Ｂの球状スパチュラに対応する）。この末端部は、ある摩擦係数μを有する乾燥状態のクーロン摩擦を有すると考えら得る。したがって、このスパチュラ１４は、そのスパチュラの接線方向の力Ｆｔがμ（ＦＯ−Ｆｎ）よりも大きい場合にすべる（ここで、Ｆｎは、表面からスパチュラを引き離す垂直方向の力成分である）。準安定状態（加速度および動力学を無視する）が前提とすると、すなわち、Ｆｔ≒μ（ＦＯ−Ｆｎ）である。
【００４３】
剛毛の軸柄部１２（これは、完全弾性であることを前提とする）が互いに接着することを防ぐために、この軸柄部は、十分に間隔を空けて空間的に配置される必要があり、かつ十分に硬く作製される必要がある。
【００４４】
これらの軸柄部の間の接着力は、接触表面での接着力に等しいと考えら得る。この接着力はまた、軸柄部の直径には依存しないと考えられる。なぜならば、その軸柄部の末端部での真の接触半径は、制御しづらいからである。図３に示されるように、点荷重Ｆｏは、片持ち梁の末端に存在すると考えられ、ここで、Ｆｏは、スパチュラ１４の接着力（≒２００ｎＮ）である。
【００４５】
はじめに、その軸柄部が、その軸柄部の伸延部が考慮される必要がないほど十分な長さであることを確認する。弾性のある軸柄部も可能であるが、これは、異なる組の方程式を必要とする。この軸柄部の長さおよび半径を、それぞれ、ｌおよびｒとする。
【００４６】
剛性ｋｘが、剛性ｋｙを超えるようにｌ、ｒを選択する。
係数ＥＰＥおよび慣性モーメントＩ＝πｒ４／４を有する円筒形片持ち梁（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）に関して、
Δｙ＝Ｆｙｌ３／３ＥＰＥＩ                                  （１）
である。
従って、ｙ軸方向（水平方向）の剛性は、以下：
ｋｙ＝Ｆｙ／Δｙ＝３πｒ４ＥＰＥ／４ｌ３                      （２）
である。
梁軸方向（ｂｅａｍ  ａｘｉｓ）に沿った剛性は、以下：
ｋｘ＝πｒ２ＥＰＥ／ｌ                                      （３）
である。
従って、ｙ軸方向の剛性に対する軸方向の剛性は、以下：
ｋｘ／ｋｙ＝４ｌ２／３ｒ２                        （４）
である。剛性において、１００：１の比を取得するには、単純化すると、ｌ＞９ｒを用いる。
【００４７】
次に、この軸柄部は、そのスパチュラが互いに接着するよりも別の表面に接着する傾向があるほど十分に離れて一定の間隔を保たれなければならない。図３に示されるように、軸柄部１２は、Δの間隔にあり、従って、ＦＯは、ｋｙΔ／２未満である。ここで、単一のスパチュラ１４の接着力、弾性係数、軸柄部の長さおよびその半径が与えられると、最初の間隔が、以下：
Δ≧８Ｆｏｌ３／３πｒ４ＥｐＥ                                （５）
のように決定され得る。
【００４８】
いうまでもなく、式（５）は、およそ、正方形の格子またはアレイパッキングに対して、Δ＞２ｒ、すなわち、この間隔が軸柄部の直径よりも大きいときのみ、意味をなす。この式によって、それらの軸柄部が、動かないように維持される。なぜならば、これらは、その接着力にうちかつのに十分なほど剛性であるからである。     
【００４９】
ここで、接着圧Ｐａｄｈは、以下：
【００５０】
【数６】
2006505414.tif 000003
【００５１】
のように、
スパチュラの各々の力およびスパチュラ軸柄部の各々によって占められる面積に基づいて計算され得る。
式（６）は、以下の興味深い観測結果を提供する：
１．Ｆｏが小さければ小さいほど、圧力が高くなる（低いＦｏの軸柄部は、小さい半径を有し、そして、より近い状態にあり得る）；
２．より剛性であるシャフトによって、より高いパッキング密度が可能となる；
３．短く、太い軸柄部は、より高い接着圧を提供する。（しかし、短く太い軸柄部は、粗面に対する接着にとっては不十分である）。
これらの観察の全ては、軸柄部の間の接着を回避するという想定に依存する。
【００５２】
最終工程に対して、ｌとｒとの間の関係は、所望のＰａｄｈを得るように固定される。正方格子に対する最大軸柄部半径は、以下の式：
【００５３】
【数７】
2006505414.tif 000004
【００５４】
から、４ｒ２の最小領域を使用して見出される。式（６）をｒ、ｌについて解くと、以下の式：
【００５５】
【数８】
2006505414.tif 000005
【００５６】
を与え、ここで、ｌ０は、長さの単位をもった定数である。したがって、所望の接触圧および軸柄部の長さｌは、以下：
【００５７】
【数９】
2006505414.tif 000006
【００５８】
として与えられる。
【００５９】
ポリエステル軸柄部およびＰＤＭＳ軸柄部に対するパラメータを、表１に示す。ＰＤＭＳ軸柄部は、本質的に突起物であり、それは、完全な平面である表面を除いては、それほど有用な接着を提供しない。
【００６０】
（表１）
【００６１】
【表１】
2006505414.tif 000007
【００６２】
図４は、軸柄部が互いに接着するのを回避するための、所定の軸柄部半径についての最大軸柄部の長さを示す。ｒ＝０．１５μｍであると、その軸柄部の長さは、わずか１μｍだけであることに注目することは、興味深い。ゆえに、より長く、より硬いベースシャフトの２つのレベルの構造が、細かい末端の軸柄部（スパチュラ様の毛状体）とともに使用され、粗面に適合する。
【００６３】
予め荷重を与えると、それらの軸柄部は、高さの起伏Δｎともなって異なる角度で粗面に接触し得る。これらの軸柄部の剛性は、軸柄部の引き離し（ｐｕｌｌ−ｏｆｆ）力Ｆｎ＝ｋｎΔｎが接着力ＦＯ未満であるように設定されるべきである。そうでなければ、それらの軸柄部は、そのアレイに荷重が与えられた場合に引き離される。
【００６４】
これらの軸柄部はまた、その位置を保つ間に法線方向の変位に供され得る。それらの軸柄部が、表面と最初に接触するときに、その局所的な表面の直鎖構造体（ｎｏｒｍａｌ）は、その軸柄部がすべるように尖ってもよい。それ自体の位置を保つ間にも、アレイ中で局所的なすべりが存在し得、大きな起伏Δｎを引き起こす。
【００６５】
図５を参照すると、静止摩擦力Ｆｔは、法線方向の力Ｆｎに比例すると考えられる。すべり摩擦係数と静止摩擦係数との間の差異は、無視される。接着力未満の法線方向の力（Ｆｎ＜ＦＯ）の付与は、その表面１８からスパチュラ１４を引き離なれようとして引きはなれずに終わる。準安定すべりにとって、この接線方向の力Ｆは、その摩擦力μ（ＦＯ−Ｆｎ）と等しくなる。法線方向の力Ｆｎが増大するにつれて、スパチュラを滑らせるのに必要とされる接線方向の力が、減少することに留意のこと。加速度を伴わないすべり（準安定的な仮定）にとって、Ｆｔは、その摩擦力と正確に等しくなる。引き離されると、その摩擦係数はゼロ（０）へと低下し、したがって、Ｆｔ→０である。
【００６６】
図１Ａ〜１Ｂおよび６Ａ〜６Ｂに示されるように、その柄様構造体１０は、片持ち梁様構造体として形成される。図６Ｂに示されるように、Ｆｒは、表面１８からスパチュラを引き離す曲げ張力（ｂｅｎｄｉｎｇ  ｔｅｎｓｉｏｎ）である。Ｆθは、圧縮方向における軸柄部１２の軸方向の反作用力である。軸方向の剛性は、曲げ剛性（ｂｅｎｄｉｎｇ  ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）よりも非常に硬いオーダーであると考えられる。したがって、この柄様構造体１０は、１自由度（運動Δｒ）のみを有し、Δθ＝０である。パッチまたはアレイにおける複数の軸柄部が表面をすべることが許容される。接触されていない限り、その軸柄部は、なお、最終的な接着力に寄与する。
【００６７】
図７Ａおよび７Ｂに示されるように、その１４スパチュラが（準安定状態下で）すべる場合、そのスパチュラに対する力は、その接触摩擦円錐（表面の法線からの角度±θｓであり、ここで、θｓ＝ｔａｎ−１μが摩擦角である）のいずれからの稜上にある。
【００６８】
これらの前提のもとで、最大の法線方向の変位Δｎは、接触が解けたときに解かれ得る。準安定平衡状態に対して、この法線方向の力Ｆｎは、以下の引き離す力に等しい：
Ｆｎ＝Ｆｒｃｏｓθ＋Ｆθｓｉｎθ＝Ｆｏ                    （１０）
引き離れると、摩擦力μ（ＦＯ−Ｆｎ）＝０であるので、
Ｆｔ＝−Ｆｒｓｉｎθ＋Ｆθｃｏｓθ＝μ（ＦＯ−Ｆｎ）＝０    （１１）
である。
準安定平衡状態に対して、式（１０）は、Ｆθについて解くことができて、
Ｆθ＝Ｆｒｔａｎθ                                            （１２）
である。
【００６９】
したがって、引き離れるときのその（片持ち梁ばねに起因する）最大の半径方向の力は、以下：
Ｆｒ＝Ｆｏｃｏｓθ                                            （１３）
である。
ここで、曲げ剛性ｋｒ、Ｆｒ＝ｋｒΔｒおよびΔｒ＝Δｎ／ｃｏｓθを用いると、接触が解かれる前の最大軸柄部の変位は、以下：
【００７０】
【数１４】
2006505414.tif 000008
【００７１】
（１４）である。
【００７２】
式（１４）は、いくらか興味深い解釈を有する。明らかに、その軸柄部が表面に対して垂直である場合は、表面の粗さはまったく許容されない。それらの軸柄部が表面に対して平行である場合、最大コンプライアンスに近接することが得られるが、多くの軸柄部に対する空間はない。有意な接触摩擦が存在すると、その摩擦は、期待通りに、より大きなΔｎを許容する。なぜならば、その接着接触は、法線方向成分と接線方向成分を有するからである。片持ち梁角θの関数として法線方向の変位Δｎを、図８に示す。θ＝３０であると、表面の粗さに対する適合性とスパチュラ密度との間で合理的な妥協点が与えられる（ポリイミド軸柄部に関する仮定：Ｆｏ＝１００ｎＮ、ｌ＝１０μｍ、ｒ＝０．２５μｍ。Δｎ＞５μｍを与える長い軸柄部は、保存的なもつれの状態を打破する）。大きな変位は、片持ち梁の前提に反するが、なおも、定性的には興味深いものである。
【００７３】
図９に示されるように、軸柄部１２は、０°、３０°、および６０°などの様々な角度θで支持表面１６に接着され得る。片持ち梁のコンプライアンスに起因して、
【００７４】
【数１４Ａ】
2006505414.tif 000009
【００７５】
方向における力Ｆｒは、変位Δｒによって制御される。その軸柄部に沿った軸方向の力Ｆｏは、加えられた力、接着力、摩擦係数および接触角に依存する反作用力である。静止接触にとって、その正味の力
【００７６】
【数１４Ｂ】
2006505414.tif 000010
【００７７】
は、摩擦円錐内にある。この準安定すべりにとって、その力は、すべりの方向に依存して
摩擦円錐の左稜または右稜のいずれかにある。そのすべりの方向を変化する（その表面に対して平行な片持ち梁を押すかまたは引く）ことによって、その反作用力Ｆθは、変化する。したがって、その法線方向の力が増大すると、表面１８からスパチュラ１４を明示的に引くことなしに接触を断つに至る。
【００７８】
準安定すべり（加速度なし）に関して、その接線方向の力Ｆｔは、すべり摩擦力μ（Ｆｏ−Ｆｎ）に等しくなる。図７Ａに示されるように、左にすべるスパチュラにとって、法線方向の力Ｆｎおよび接線方向の力Ｆｔは、以下：
Ｆｎ＝Ｆｒｃｏｓθ＋Ｆθｓｉｎθ                       （１５）
および
Ｆｔ＝−Ｆｒｓｉｎθ＋Ｆθｃｏｓθ＝μ（ＦＯ−Ｆｎ）  （１６）
である。
【００７９】
図７Ｂに示されるように、右にすべるスパチュラにとって、法線方向の力Ｆｎおよび接線方向の力Ｆｔは、以下：
Ｆｎ＝Ｆｒｃｏｓθ−Ｆθｓｉｎθ                      （１７）
および
Ｆｔ＝Ｆｒｓｉｎθ＋Ｆθｃｏｓθ＝μ（ＦＯ−Ｆｎ）    （１８）
である。
【００８０】
法線方向の力Ｆｎについて解くと、
【００８１】
【数１９】
2006505414.tif 000011
【００８２】
が得られる。ここで、＋および−は、それぞれ、左および右にすべることに対応する。
【００８３】
右方向にすべるときの法線方向の力の式（１９）は、数個の可能な潜在的重要性を有する。まず、Ｆｒ＜μＦｏｓｉｎθであるとき、その接触は、Ｆｎ＜０であるので、右にすべるために、その表面に押し付けられる必要がある。おそらくは、そのスパチュラが接触することが促進されるように予め荷重を与えることについて有用である。次に、法線方向の力は、左方向にすべることにとってより高く、そのっ接触が引き離される傾向を増大させる可能性がある（図１０を参照のこと）。（前提：軸柄部は、θ＝３０°、Ｆｏ＝２００ｎＮ、μ＝０．５で備え付けられている）。しかし、引き離れたときに、その法線方向の力がその接着力とちょうど等しくなるので、その接線方向の力は消失することに留意のこと。従って、摩擦は、引き離しに対してなんら影響をもたない。第３の観察は、片持ち梁がつけられた軸柄部の角度が一定のＦｒを保ちつつ変化される場合に、その法線方向の力は、θ＝ｔａｎ−１１／μであるときに、特異なものとなるということである。スパチュラ／剛毛の軸柄部構造は、複合型片持ち梁として作用して、引くことと比較して押したときに角度を変えると推測されることは興味深い。
【００８４】
図１１に示されるように、本発明の別の実施形態は、複数のレベルまたは複合型の片持ち梁構造体３０である。構造体３０は、多くの軸柄部１２を備え、各々が、角度θで少なくとも１つの突出部またはスパチュラ１４を支持する。これらのスパチュラは、支持表面３４に対して角度θｌをなしてより長いシャフト３２によって支持される。表面１６と同様に、その支持表面３４は、可撓性であるかまたは屈曲性（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）であり得る。示されるように、そのシャフトの長さは、約１μｍと約５００μｍとの間であり、そして、そのシャフトの直径は、約１μｍと約１０μｍとの間である。角度θｌは、θのように、約１５°と約７５°との間にあり得る。
【００８５】
絡み付かない片持ち梁構造にとって、その軸柄部は、比較的硬い物質から作製され、かつ、より粘着性でなく、そして、より太く、より短く、高い接着圧を提供する。これらの軸柄部は、示されるように、支持表面に対して斜角をなす。これらはまた、屈曲性である。摩擦が接着効果を改変するので、接触せん断荷重を変えることによって、部分的に迅速に解放する機構を提供し得る。軸柄部の接着は、接線方向の変位に対しては非常に強いが、法線方向の力に対しては、強くない。
【００８６】
組立の潜在的な容易性のために、図１２に示されるように、長い軸柄部を用いる単一レベルデザインが、使用され得る。よって、これらの軸柄部１２は、角度にして約３０°で、約１０μｍに等しいｌ、約０，２５μｍに等しいｒで、備えつけられる。これらの軸柄部は、ポリイミドから作製される。高いアスペクト比および緊密なパッキングに起因して、分枝した小さな直径の軸柄部１２を頂部についけた幅のあるシャフト３２の軸柄部を備えた２層構造体を製造することは実際により容易である（図１１）。シャフト３２の間の中心と中心間隔が約１μｍであると、ピーク接着圧１０５Ｎｍ−２が、接触している全ての毛状体で、生成される。ｌ＝ｌ０μｍとして、すべる方向に依存して、２．５μｍ〜５μｍの局所的な表面の粗さが、許容され得る。したがって、この構造体は、冷間圧延鋼（ｃｏｌｄ  ｒｏｌｌｅｄ  ｓｔｅｅｌ）のような比較的平滑な表面に接着し得る。
【００８７】
上で議論した設計基準に従った目的は、バイオミメッティックヤモリ脚毛状体を作製することである。作製における困難は、それらの毛状体が、ある角度をなさなければならないということである。まっすぐな毛状体を用いると、表面の粗さに対する許容性がない。毛状体が粘着性かつ非常に屈曲性であると、これらの毛状体は、それらの側面方向に曲がり、その面に接着するが、その絡みつく条件に反する。
【００８８】
よって、それらのシャフト３２、合成毛状体の合成マイクロスケール部分は、マイクロヘア（マイクロ毛状体）と称され、そして、それらの軸柄部（これらは、スパチュラ１４を支持する）は、ナノヘア（ナノ毛状体）と称される。
【００８９】
合成毛状体製造の基礎的なパラメータは、以下のように要約され得る：
高アスペクト比のマイクロスケール（１：１０−３０）およびナノスケール（ｌ：２０−５０）の構造体製造であって、それぞれ、５〜１０μｍおよび１００〜５００ｎｍである、構造体の製造；強い接着のための、可能な限り高いマイクロ毛状体／ナノ毛状体密度（所定の面積（例えば、１ｃｍ２）中のマイクロ毛状体／ナノ毛状体の数）；絡みつかない状態を保持するために可能な限り固く、他方、最大接触面積および最大接着のために可能な限り柔らかい、ナノ毛状体；剛性毛状体の物性：ヤング率：０．１〜２０ギガパスカル（ＧＰａ）、疎水性、かつ引っ張り強さ；ならびに、非対称性の摩擦挙動および座屈不安定性ポテンシャル（ｂｕｃｋｌｉｎｇ  ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）の低下、および粗面に対する許容性のために、ある範囲の角度（１５°〜７５°）で方向付けられたマイクロ毛状体／ナノ毛状体。
【００９０】
マイクロ毛状体／ナノ毛状体は、以下の２つの方法によって製造される：
組立テンプレートのナノ成形およびポリマー自己アセンブリまたは（天然のものに類似の）合成成長（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ｇｒｏｗｔｈ）。
【００９１】
ナノ成形に基づく方法において、脚の毛状体のネガティブ鋳型（ｎｅｇａｔｉｖｅ）を表すマイクロスケールおよびナノスケールの高アスペクト比のホール（ｈｏｌｅ）を有するテンプレートが、ポリマーを用いて成形される。以下の液体ポリマーが、し使用され得る：ポリウレタン、ポリイミド、シリコーンゴム（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｉｎｃ．，  ＨＳ  ＩＩ）、およびポリエステル樹脂（ＴＡＰ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ，Ｉｎｃ．）。これらのポリマーは、ＵＶ光線を用いて室温で硬化され得るか、または高温で硬化され得る。また、スパッタリングされたポリマー（Ｐａｒｙｌｅｎｅ  Ｃ  およびＰａｒｙｌｅｎｅ  Ｎ）が使用され得る。
【００９２】
このテンプレートについて多くの設計パラメーターが存在する。このテンプレートは、非常に高いアスペクト比（およそ１：１０−５０）を有する、方向付けられたホールまたは垂直方向にのびるホールを有する。このホール直径は、１００ｎｍ〜１０μｍのオーダーであるべきである。このホールの長さは、約３μｍと約２００μｍとの間である。
【００９３】
そのテンプレートの物性は、高温硬化ポリマー（例えば、ポリイミド）が使用される場合には、高温に対する耐性を備えるべきである。このテンプレートはまた、ポリマーをエッチングしない化学試薬によってエッチングされることが可能であるべきである。このテンプレートはまた、異なるテンプレートの結合を可能にするために平滑な（粗さのオーダーが、１〜１０ｎｍ）頂部および底部の面を有する。
【００９４】
２つの主要な型のテンプレートが存在する。第１のものは、組立または自己組織化による高アスペクト比のホール（部分的または全体が、その基材の厚さに沿っている）を有する基材、またはプリントされたマイクロ構造体／ナノ構造体を含む。
【００９５】
実施例としては、アルミナ（Ｎａｎｏｐｏｒｅ，  Ｗｈａｔｍａｎ  Ｉｎｃ．）、ポリカーボネート（Ｐｏｒｅｔｉｃｓ，Ｏｓｍｏｎｉｃｓ’ＬａｂＩｎｃ．）、および他の多孔性物質ベースの自己組織化膜が挙げられる。このようなテンプレートは、表２に与えられるような、様々な、マイクロポアー／ナノポアー（ｍｉｃｒｏ／ｎａｎｏ−ｐｏｒｅ）のポアー直径、密度、厚さ、ヤング率、可塑的に変形する前の最大可能温度特性、およびエッチング特性を有する。
【００９６】
（表２）
【００９７】
【表２】
2006505414.tif 000012
【００９８】
第１の型のテンプレートはまた、例えば、ＡＦＭ、ＳＴＭ、またはガラスピペットのような単一の鋭いプローブを使用してマイクロ毛状体／ナノ毛状体の所望の形態をインプリンテイィングすることによって、組み立てられ得る。このようプローブのアレイまたは、幾つかの他のアスペクト比の高いマイクロ構造体／ナノ構造体のアレイがまた、使用され得る。インプリンテインングは、光学顕微鏡下での自動化ＸＹＺ位置制御もしくはＡＦＭプローブケース中の力のフィードバックを使用することにより、一連のロボット式プロセスにおいて、軟質表面に機械的に刻み目をつけることによって、または；ワックスを融解してこの構造の溝部を満たすことによって；または硬化可能な液体（例えば、ＵＶ硬化性、高温または室温硬化性）により溝部を満たすことによって、達成され得る。
【００９９】
また、この第１の型のテンプレートは、光リソグラフィー、熱酸化処理を使用する深部反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）、ブラックシリコンエッチング、レーザーマイクロ／ナノ機械加工、電子ビームリソグラフィー、ナノインプリンティングまたはソフトリソグラフィーを使用して製造されたマイクロ／ナノ孔を有する基板を含み得る。
【０１００】
第２の型のテンプレートは、合成毛状体として使用するのに適切でなないすでに存在するかまたは製造された高アスペクト比の固いマイクロ／ナノ構造体（０．１から２０ＧＰａの範囲ではないヤング率）を成形することによって製造されるポジティブテンプレートである。これらのマイクロ／ナノ構造は、例えば、カーボンナノチューブ、ナノワイヤーまたはナノロッドである。これらの構造の成形は、上で考察されたインプリンティング技術；軟質表面の機械的刻み目付け；ワックスを融解してこの構造の溝部を満たすこと；または硬化性の液体、ゴムもしくはポリマー（ＵＶ硬化性、高温または室温硬化性）により溝部を満たすことと同じである。
図１３Ａ〜図１３Ｃに示されるように、マイクロ構造体／ナノ構造体は、溶かした蝋または液体４８によって成形される（図１３Ａ）。次いで、図１３Ｂに示されるように、そのもとの構造体５０が、例えば、エッチングなどによって取り除かれ、そのテンプレート５２が得られる。次いで、このテンプレートは、ポリマー５４を用いて成形され、そして、このテンプレートが取り出される（図１３Ｃ）。
【０１０１】
より具体的には、このアプローチの基本的な工程は、以下のとおりであり得る。第１に、考察されるように、マイクロおよびナノスケールの高アスペクト比の孔を有するテンプレート５２を製造する（図１３Ａおよび１３Ｂ）。次いで、ポリマー５４を用いてテンプレートを成形し、そして基板５６をこのテンプレートに一時的に取り付けることによって、下部層をブロックする（図１３Ｃ）。
【０１０２】
液体ポリマーが、真空下または空気中で、このテンプレートの開放側面に注がれ得る。伝導性ポリマーが充填材料として選択される場合、動電学的な型の静電原理もまた使用し得る。あるいは、このポリマーの誘電率が、周囲の鋳型よりも高い場合、印加される電場は充填を促進し得る。あるいは、スパッタリングポリマーについて、ポリマー（例えば、Ｐａｒｙｌｅｎｅ  ＣまたはＮ）を、これらの孔に適合させて沈着させる。最後に、例えば、エッチングによって、このポリマーを剥ぎ取るかまたはテンプレートを除去する。湿式エッチングが使用される場合、エッチング溶液中の疎水性ポリマーは、疎水性結合力に起因して、互いに接着する。従って、外部抽出（例えば、超音波振動または所定のエッチング剤のための適切な界面活性剤）をこのプロセスの間に使用して、自己接着の問題を最小限にするべきである。
【０１０３】
別の製造技術について、ナノ毛状体は、有機カーボンナノチューブ、またはＣＶＤまたは他の化学合成法を使用して必要な合成ヤモリ毛状体に近いヤング率およびアスペクト比を有する他の合成ナノチューブもしくはナノワイヤーとして成長し得る。さらに、ブロックコポリマー自己アセンブリを使用して、合成毛状体を直接成長させ得る。ブロックコポリマー法において、２つの異なるポリマーを含むナノ孔アレイは、自己アセンブルされる。次いで、このアレイは、剪断され、そしてこれらのポリマーの１つが除去されて、接着性マイクロ構造を形成する。例えば、これらのポリマー材料の一方は、他方の材料を自己アセンブルされた毛状体構造に残して、適切な溶媒に溶解され得る。
【０１０４】
なお別の製造技術は、生物学的ヤモリ脚毛状体を直接複製する工程を包含する。生物学的毛状体は、基板に結合され得、次いで、非常に小さい溝部を満たし得、かつ室温または低温で、またはＵＶ光を使用して硬化し得るワックスまたはシリコーンゴム型の材料を使用して、成形され得る。硬化後、生物学的毛状体は、剥ぎ取られるかまたは酸を使用してエッチングされ得る。従って、この毛状体の複製テンプレートが形成され、次いで、このテンプレートは、ポリマーを用いて成形されて、本物とほとんど同じ正確な形状を有する合成毛状体を与える。ヤモリ脚ラメラは、容易に剥がれ得、そしてこの動物によって、規則的な間隔で置換され得、このプロセスは可能であり、そしてまたテンプレートは、夾雑する前に多数回使用され得る。
【０１０５】
記載されるように、スパチュラまたはスパチュラのアレイが、合成ヤモリ毛状体の柄によって斜角をなして支持される。このスパチュラまたはスパチュラのアレイの正確な配向は、多数の異なる方法で達成され得る。
【０１０６】
例えば、図１４Ａ〜１４Ｃに示されるように、軟質表面４０（例えば、ワックス）が、ある角度で、鋭いプローブ４２によって刻み目を付けられ得、次いで、ポリマー４４を用いて成形され得る。また、成形されたテンプレート６０は、図１５に示されるように、応力下（矢印Ａ）、特定の温度で剪断されて、このテンプレートは所望の角度θまで可塑的に変形され得る。あるいは、図１６に示されるように、テンプレート６２は、ある角度で、各側面で研磨されて、毛状体の適切な配向を形成し得る。
【０１０７】
スパチュラまたは突出部を配向するための別の技術は、傾斜したシリコンウエハの乾式エッチング（ＤＲＩＥ）である。他の技術としては、基板上の、磁性、伝導性または誘電性のナノロッド、ナノワイヤー、ナノチューブのマイクロ／ナノ構造の、磁気、静電気、（誘）電気泳動型の外力ベースの配向が挙げられ、ここで配向された構造は、テンプレートを提供するための材料のワックスまたはシリコーンゴム種を用いて成形される。次いで、このテンプレートは、ポリマーを用いて成形される。
【０１０８】
上記のプロセスは、マイクロまたはナノスケールの合成配向毛状体を製造することに焦点を当てる。しかし、このナノ毛状体は、所望の全構成を得るために、ナノ毛状体と一体化する必要がある。
【０１０９】
従って、例えば、図１７に示されるように、適切な厚みおよびポアーサイズおよび密度を有するマイクロ毛状体テンプレート６４およびナノ毛状体テンプレート６６は、それぞれ別々に製造され、そして互いに結合されて、１つのテンプレートを与える。例えば、２００ｎｍの孔径を有するポリカーボネート核細孔（ｎｕｃｌｅｏｐｏｒｅ）膜は、別のポリカーボネート膜または例えば、ＤＲＩＥによって製造された６μｍの孔径を有するシリコーン基板に結合され得る。
【０１１０】
また、マイクロ製造技術を使用して、合成ヤモリマイクロ毛状体と同じ寸法を有する配向シリコンまたは任意の他の材料のマイクロ構造体を製造することが可能である。次いで、外部磁場または外部電場を用いて配向された配向カーボンナノチューブ、ナノワイヤーまたはナノロッドを、これらのマイクロ構造上で直接成長させる。この沈着または成長プロセスの後、全てをワックスまたはシリコーンゴムを用いて成形して、例えば、テンプレート全体を得る。
【０１１１】
上記技術を使用してテンプレート全体を得た後、両方のテンプレートを、ポリマーを用いて同時に成形し、これらを剪断応力下で変形させて角度を得（図１５）、次いで、このテンプレートをエッチングして、ポリマー毛状体を得ることができる。あるいは、２つのマイクロおよびナノテンプレートを、これらを一緒に結合する前に、高温で剪断し得る。
【０１１２】
これらのテンプレートは、例えば、真空下または圧縮荷重の下で結合され得る。記載されるように、これらのテンプレートは、次いで、テンプレート材料を除去するが、毛状体構造が作製される材料は除去しないエッチング剤を用いるエッチングによって除去され得る。
【０１１３】
自己アセンブルされた配向ナノ毛状体はまた、ポリマー基板上で成長され得る。その後、このポリマー基板は、マイクロ製造技術を使用してパターン化されて、ナノ毛状体の下のマイクロ毛状体を直接提供し得る。
【０１１４】
当業者は、本発明の接着性毛状体構造が種々の方法で使用され得ることを認識する。例えば、このマイクロ構造は、ピック・アンド・プレイス（ｐｉｃｋ  ａｎｄ  ｐｌａｃｅ）マイクロ製造、マイクロ操作、およびマイクロ手術の用途において使用され得る。例えば、柄様構造体は、繊維オプティックを取り上げ、これを移動し、そしてこれを再び置くために、マイクロマニピュレータに取り付けられ得る。他の用途としては、網膜プロステーシス移植物／外移植物の操作、手術の間の神経の固定、およびシリコンウエハまたはディスクドライブコンポーネントの取り上げおよび配置が挙げられる。
【０１１５】
マイクロ構造はまた、マイクロマシンにおけるクラッチメカニズムとして使用され得る。これらは方向性様式で接着するので、マイクロ構造は、ラチェットと類似のクラッチメカニズムとして使用され得るが、滑らかな表面では使用され得ない。
【０１１６】
他の用途としては以下が挙げられる：昆虫捕獲、テープ、ロボットの足およびトレッド、登山用のグローブ／パッド、把持、クリーンルーム処理ツール、マイクロ光学操作（これは表面を傷付けず、かつ残留物も引っ掻き傷も残さない）、マイクロブルーム、マイクロバキューム、ウエハからのフレークの除去、個々の粒子の光学的配置および除去、登山、スローイング、およびステッカー玩具、プレスオン（ｐｒｅｓｓ−ｏｎ）フィンガーネイル、サイレントファスナー、特定の位置における接着を防止するための基板、ディスクドライブを清掃するためのブルーム、ポストイットノート、バンドエイド、半導体輸送、衣類のファスナーなど。これらの多くの用途において、平らな基板上のスパチュラのパッチが、シャフト上に配置されるスパチュラのパッチとは対照的に、使用される。
【０１１７】
上述の記載は、説明目的のために、本発明の詳細な理解を提供するための具体的な述語を使用した。しかし、これらの具体的な詳細事項は、本発明を実施するために必須でなないことが、当業者によって明らかである。したがって、本発明の具体的な実施形態の上述の記載は、例証および説明の目的のために提示された。これらは、網羅的であることを意図せず、かつ、開示された詳細な形態に本発明を限定することを意図せず、明らかに、多くの改変実施形態および変形実施形態が、上記の教示の観点において可能である。これらの実施形態は、本発明の原理およびその実際の適用を最も良く説明するために、選択および記載され、それによって、企図された特定の用途に対して適切なように、当業者が本発明および種々の改変を有する種々の実施形態を使用することを可能にする。以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって、本発明の範囲が規定されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
本発明のより良好な理解のために、添付の図面と合わせて以下の詳細な説明が参照される。
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施形態に従った、軸柄部上の組み立てスパチュラまたは組み立て突出部の単一の広がった面の拡大概略図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の別の実施形態に従った、軸柄部上の組み立てスパチュラまたは組み立て突出部の単一の広がった面の拡大概略図である。
【図２】図２は、単一のヤモリの剛毛の拡大図である。
【図３】図３は、スパチュラまたは突出部をそれらの末端に有する１対の軸柄部を概略的に示す。
【図４】図４は、もつれることを避けるための、所定の軸柄部の半径に対する最大軸柄部を図解する。
【図５】図５は、接着に関するクーロン摩擦モデル（Ｃｏｕｌｏｍｂ  ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｍｏｄｅｌ）を図解する。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の実施形態に従った接着マイクロ構造体についての片持ち梁モデルである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａのマイクロ構造体のスパチュラまたは突出部における力を概略図として示す。
【図７】図７Ａおよび７Ｂは、スパチュラまたは突出部のすべる方向に対する接触摩擦力依存性を図解する。
【図８】図８は、片持ち梁角（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ  ａｎｇｌｅ）に対する最大変位Δｎ依存性を図示する。
【図９】図９は、組立接着マイクロ構造体に対する様々な片持ち梁角を図解する。
【図１０】図１０は、準安定すべり接触について、本発明の実施形態に従った、スパチュラまたは突出部での予測される法線方向の力を図解する。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態に従って、張力のもとおよび解放のもとで複合体化させた片持ち梁組立接着マイクロ構造体を図解する。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態に従って、組立接着マイクロ構造体の単一層のパッチまたはアレイのデザインを図解する。
【図１３】図１３Ａ−１３Ｃは、本発明の実施形態に従った、すでに存在するかまたは組み立てられた高いアスペクト比のマイクロ構造体／ナノ構造体を成形することによって組み立てられたテンプレートを図解する。
【図１４】図１４Ａ〜１４Ｃは、ある角度で表面を機械的にくぼませてテンプレートを形成して、次いでそれを成形するための技術を図解する。
【図１５】図１５は、ポリマーを用いて成形されたテンプレートをせん断することによって組立接着マイクロ構造体を形成することを図解する。
【図１６】図１６は、組立接着マイクロ構造体を生成するためのテンプレートの両面を磨く工程を図解する。
【図１７】図１７は、マイクロ毛状体およびナノ毛状体のテンプレートをボンディングして、それらを成形し、組立接着マイクロ構造体を形成する工程を図解する。同じ参照番号は、図面全体にわたり、対応する部分を参照する。
2006505414.tif 000013
【図２】
2006505414.tif 000014
【図３】
2006505414.tif 000015
【図４】
2006505414.tif 000016
【図５】
2006505414.tif 000017
2006505414.tif 000018
【図７】
2006505414.tif 000019
【図８】
2006505414.tif 000020
【図９】
2006505414.tif 000021
【図１０】
2006505414.tif 000022
【図１１】
2006505414.tif 000023
【図１２】
2006505414.tif 000024
2006505414.tif 000025
【図１４】
2006505414.tif 000026
【図１５】
2006505414.tif 000027
【図１６】
2006505414.tif 000028
【図１７】
2006505414.tif 000029
【国際調査報告】
2006505414.tif 000030