(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜、
可撓性の筐体、
前記膜と前記筐体の間に存在するキャビティー、および
前記キャビティーに接続される空気圧レギュレータへの接続を有し、
前記膜は、前記筐体の周辺に接続され、
前記膜は、前記キャビティー側にスペーサ構造を有する、把持器具。
【請求項２】
前記膜の外表面は、アイランドを有さない、または前記キャビティーから離れた前記膜の外表面から突き出る複数の膜を有する、請求項１に係る把持器具。
【請求項３】
前記複数のアイランドは、ファイバーまたはナノバンプによって形成される、請求項２に係る把持器具。
【請求項４】
前記スペーサ構造は、前記膜に対向する前記筐体の内表面に固定される、または
前記スペーサ構造は、前記筐体の前記内表面に対向する前記膜に固定される、請求項１に係る把持器具。
【請求項５】
前記スペーサ構造は、相互接続チャネルを含む、請求項１または４に係る把持器具。
【請求項６】
前記スペーサ構造は、複数のポストまたは柱状形状のポストを含む、請求項１から５のいずれか一項に係る把持器具。
【請求項７】
前記膜と前記筐体は、異なる材料、または同一の材料で作製され、一体化形成される、または溶接によってまたは結合層を用いて互いに結合される、請求項１から６のいずれか一項に係る把持器具。
【請求項８】
前記可撓性の筐体は、１０ｋＰａから６００ＭＰａの範囲から選択されるヤング率を有する、および／または前記筐体と前記膜の少なくとも一つの前記材料は、高分子、ゴム、複合材、熱可塑性材料、ハイドロゲル、相変化材料、形状記憶材料、液体材料、ＶＳ、ＰＤＭＳ、液晶エラストマー、エラストマーゴム、シリコンゴム、ポリウレタン、およびこれらの組み合わせからなる部材の群から選択される、請求項７に係る把持器具。
【請求項９】
前記キャビティーは、排気できるように構成され、前記筐体と前記膜は、部分的にまたは前記膜の全外表面上において、把持される物体の表面の形状の少なくとも一部に反映する形状に適合するように構成される、請求項１から８のいずれか一項に係る把持器具。
【請求項１０】
前記スペーサ構造は、複数のポストまたは柱状形状のポストを含み、
前記複数のポストは、前記キャビティーが排気される際、前記相互接続チャネルを分離し、前記筐体と前記膜の間の間隔を定義する、請求項５に係る把持器具。
【請求項１１】
前記キャビティーは、大気圧よりも１０１．３ｋＰａ低い圧力まで、または前記大気圧に対して＋１０から−１００ｋＰａの範囲の圧力に調整されるように構成される、請求項９または１０に係る把持器具。
【請求項１２】
前記筐体と前記膜の間に負の圧力が存在する場合、前記キャビティーは、前記把持器具の把持機能の解放を行うため、前記負の圧力を開放する、または膨張するように構成される、請求項１から１１のいずれか一項に係る把持器具。
【請求項１３】
膜、可撓性の筐体、前記膜と前記筐体間に存在するキャビティー、および前記キャビティーに接続される空気圧レギュレータへの接続を有し、前記膜は、前記筐体の周辺に接続され、前記膜は、前記キャビティー側にスペーサ構造を有する把持器具を製造する方法であり、前記方法は、
前記筐体と前記膜を提供するステップを含み、
前記膜は、前記筐体の周辺において前記筐体と一体化される、または前記筐体に結合される、方法。
【請求項１４】
前記キャビティーから離れた膜の一方の側の膜上に複数のアイランドを与えるステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜と可撓性筐体を有し、膜が筐体の周囲に強固に接続された把持器具に関する。本発明はさらに、把持器具を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
転写、ロボットによる操作や移動、精密製作などにおいて要求されるように、接着性を制御しつつ複雑な三次元（３Ｄ）表面を把持することは非常に挑戦的な課題である。これは、接着材は、軽い圧力で密着できるように十分柔軟でなければならないとともに、大きな荷重を支持するために十分剛直でなければならないためである。
【０００３】
等価荷重分散と界面亀裂ピニングの原理を活用することで、ヤモリにヒントを得た乾燥マイクロ／ナノファイバー接着材は、ファンデルワールス力などの分子間相互作用を利用して平坦な表面と強固に接着することができる。同様の固定方法を用いることで、ヤモリにヒントを得た合成エラストマーのフィブリル状接着材は、滑らかな平坦な面に対し、このような表面に対するヤモリのパフォーマンスを超越する１００ｋＰａを超える結合力を達成し、かつ、マイクロファイバーの剥離または座屈によって速やかに剥がれる。過去十年、ヤモリにヒントを得た接着材は、壁面走行のための多くのロボットアプリケーション、飛行体のパーチング装置、把持装置を含む数々のシステムに応用されてきた。
【０００４】
しかしながら、問題は三次元（３Ｄ）表面を扱う際に発生する。これは、現在のヤモリにヒントを得た合成接着システムは、大抵剛直な裏地によって支持されるため、非平坦な表面に対する適合能力が制限されてしまうからである。これまでの研究において、膜上のフィブリル接着材（ＦＡＭ）と呼ばれる、柔軟な膜と一体化されたエラストマーのフィブリル状接着材が開発された。この接着材は、３Ｄ印刷された剛直なプラスチック体上に固定されており、このため、このシステムは種々の３Ｄ物体を扱えるようになった。
【０００５】
組織化されていない平坦なエラストマー膜に対して１０倍高い接着力を有するという顕著な改善を示したにもかかわらず、テストされたＦＡＭはたった２ｋＰａの接着応力しか示さず、これは剛直な裏地上のマイクロファイバーアレイにおいて測定された５５ｋＰａに対して極僅かである。このことは、より撓みやすい膜の裏地によって３Ｄ表面に対する適合性を改善しても、接着強度の９６％を犠牲にしていることを意味する。膜の接着力は接触界面の面積ではなく外周長に比例することを考慮すると、上記結果は、その構造を考慮するか否かに関わらず、大きな耐荷重能力を維持するには膜の大きさを限りなく増大させる必要があることを示唆している。
【０００６】
接着膜の接着強度を増大させるためには、接触界面全体にわたってより均一な荷重分散が必要である。平坦で僅かに湾曲した表面上においてより大きな面積にスケールアップすることで、横荷重分散能とマイクロウェッジ構造の摩擦を向上させることが可能な摩擦型固定システムが提案されている。
【０００７】
しかしながら、これまでの接着型固定システムでは、複雑な３Ｄ表面に対する垂直荷重分散能とフィブリル状構造の接着力の改善に至っていない。液体材料、熱可塑性樹脂、あるいは形状記憶高分子などの硬さを調節可能な材料で製造された裏地層は、柔軟な状態において３Ｄ表面に順応でき、硬化された際に高い破壊強度を維持する。
【０００８】
しかしながら、変形可能な基材（例えば、プラスチックホイル、ゴム状の伸縮可能な表面、薄い金属フィルム）を扱う際にはいまだに課題が残っている。これは、硬化した裏地は変形に対して順応せず、接触エッジにおいて応力集中が生じるためである。したがって、全ての接着把持作業は、撓みやすさ／適合性と剛直性／強度との間の根本的なトレードオフによって制約を受ける。接着材は複雑な３Ｄまたは変形可能な形状に適合する程度に撓みやすい必要があるものの、同時にこのシステムは、物体の重量を支持するために界面（モードＩ）破壊強度を最大にするに十分な剛直性を維持しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このような背景を鑑み、本発明は、要求される変形が可能であると同時に、必要とされる接着強度を確保することができる把持器具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、請求項１に係る把持器具によって達成される。
【００１１】
このような把持器具は、膜、可撓性筐体、膜と筐体の間に存在するキャビティー、およびキャビティーに接続される、シリンジポンプまたは真空ポンプなどの空気圧レギュレータとの接続を含み、膜は可撓性筐体の周囲に強固に接続される。
【００１２】
このように、本発明は、本質的に可撓性の膜に加えて可撓性筐体を利用しており、これらの結合により、把持器具の３Ｄ適合性と結合力を個別に制御することができる。この新規な構成は、種々の大きさの３Ｄの変形可能な表面上において増大した強固な接着性を示す。
【００１３】
まとめると、界面荷重分散における内圧の影響を利用することで３Ｄ表面上において垂直荷重分散を制御可能な、柔軟性荷重分散システムが提案される。この柔軟性システム構成は、高い表面適合性を備えると同時に高い破壊強度を維持するという基礎的な課題に焦点を当てるものである。柔軟で変形可能な構造体（筐体）を用い、把持器具のキャビティーを排気した時に界面に作用する負の圧力差を制御することによって、この提案されたシステムは、非平坦な３Ｄ形状上において達成される、接着力によって制御された把持強度の最大値の上限を押し上げることができる。
【００１４】
好ましくは、膜の外表面は、キャビティーから離れた膜の外表面から突き出る複数のアイランドを有する。複数のアイランドを利用することで、接触界面における接着力を増大することができる。この特徴により、広範囲にわたる表面形状と強度スケールに関し、従来の接着システムの性能を凌ぐ、この提案された柔軟性把持器具を提供することができる。
【００１５】
複数のアイランドはピラーまたはナノバンプによって形成されることが好ましい。このような表面の凹凸はモールド内で簡単に形成することができ、物体に対する膜の接着力を改善するための様々なオプションを当業者に対して提供することができる。
【００１６】
スペーサ構造がキャビティー内に存在することが好都合である。キャビティー内にスペーサ構造が存在すると、スペーサ構造はキャビティーが排気される際に筐体と膜の間の間隔を維持するように構成されるため、減圧された時にキャビティー内に均一な圧力を作り出すことができる。このようにして、等価荷重分散法を利用することができる。等価荷重分散法とは、複雑な３Ｄの変形可能な物体の表面を扱うことに関し、これまでのマイクロフィブリル状接着材の性能を凌ぐ接着系の柔軟性システムに対し、新しい方法論を提供するものである。
【００１７】
スペーサ構造は、当該膜に対向する（逆もまた然り）筐体の内表面に固定されていることが好ましい。このようにすることで、スペーサ構造は筐体の内表面上に一体形成することができる。スペーサ構造の形状、大きさ、および間隔は、把持の目的によって変更することができる。
【００１８】
好ましくは、スペーサ構造は、相互連結チャネルを有する。この相互連結チャネルによってキャビティーの空間を均一に排気することができ、特にキャビティーを排気する際に各チャネルが同一の分圧を有することができる。
【００１９】
スペーサ構造は、複数のポストを有することが好ましい。ポスト、特に円柱状のポストが、とりわけポストが膜の内表面上に一体形成される際、製造上シンプルであり、費用効果がある。
【００２０】
把持器具の設計に応じ、膜と筐体は異なる材料で製造されてもよく、好ましくは同一の材料で製造されてもよく、特に、膜と筐体は、例えば共通のモールド内で一体的に形成され、あるいは結合層を用いて筐体の周辺で互いに結合される。
【００２１】
好ましい実施形態では、可撓性筐体は、１０ｋＰａから６００ＭＰａの範囲から選択されるヤング率を有する材料で作製される。この範囲のヤング率を有する材料は、形成される筐体と膜が変形する際に要求される可撓性を示し、その結果、一方ではこれらが対象物を把持することができ、他方ではこれらが少なくとも実質的に互いに適合することでキャビティー内に均一な圧力分布を確保することができる。
【００２２】
この点に関し、筐体、膜、および筐体の周辺で筐体と膜の間に設けられる結合層のうち少なくとも一つの材料は、高分子、ゴム、複合材、熱可塑性材料、ハイドロゲル、相変化材料、形状記憶材料、液体材料、ＶＳ、ＰＤＭＳ、液晶エラストマー、エラストマーゴム、シリコンゴム、ポリウレタン、およびこれらの組み合わせからなる部材の群から選択される点に注目すべきである。
【００２３】
キャビティーは、把持機能を発揮するために排気されるように構成され、筐体と膜は、把持する物体の表面の形状を少なくとも実質的に反映した形状に適合するように構成されることが好都合である。把持器具を収縮させることで、把持すべき物体の表面の形状と適合する、および／または順応するように把持器具が変形する。
【００２４】
この点に関し、スペーサ構造の複数のポストは、キャビティーが排気される際、相互連結チャネルを分離し、筐体と膜の間の距離を規定することに対して有益に働くことに注目すべきである。従って、ポストを利用することを通じで、少なくとも実質的に均一な減圧がキャビティー内全体にわたって形成される。
【００２５】
この点に関し、簡易的なシリンジを空気圧レギュレータ（すなわち、シリンジポンプへの接続）を介して筐体に接続可能であること留意すべきである。このため、このシリンジは、筐体内の空気を排出するために用いることができ、これにより、膜を有する把持器具が収縮して種々の物体を把持することができる。
【００２６】
好ましくは、キャビティーは、大気圧に対して−１０１．３ｋＰａの圧力差、特に大気圧に対して＋１０から−１００ｋＰａの圧力差まで排気されるように構成される。これにより、把持器具は、物体の表面に対する最大接着力を得るために完全に萎むことができる。
【００２７】
少なくとも実質的に均一な負の圧力差が筐体と膜の間のスペーサ構造内に存在することが好都合である。これにより、膜の外表面の全体にわたって均一な接着強度が得られる。
【００２８】
キャビティーは、把持器具の把持機能を解放するため、圧力差を解放する、または膨張するように構成されることがさらに好ましい。把持器具を取り外す際、把持器具のキャビティーから除かれた、例えば空気などのガスよりも多くの、または少なくとも同量のガスを再導入できるようにすることで、可逆的把持機能を備える把持器具を得ることができる。
【００２９】
三次元（３Ｄ）表面または物体に対して接着することに関し、現在の接着システムは、３Ｄ表面適合性と高い接着強度の間における根本的なトレードオフによって制約を受ける。この制約は、柔軟であって機械的に撓みやすい界面にとっての必要性に起因するものであり、これによって非平坦で不規則な形状の表面に対する適合が可能となるものの、界面破壊強度を大きく低減させる。本研究では、我々は、増大した破壊強度を示すものの非平坦３Ｄ表面に対する適合性を犠牲にすることのない、接着系の柔軟性把持システムによってこのトレードオフを克服する。
【００３０】
把持器具は、圧力によって制御された変形可能な把持体に支持され、ヤモリにヒントを得たエラストマーマイクロフィブリル状接着膜によって構成される。この提案された柔軟性把持器具は、その内圧を変化させ、界面等価荷重分散力学を利用することで結合力を制御する。この柔軟性接着システムは、フィブリル状膜の最大接着力の２６％まで利用することができ、これは荷重分散のない接着膜よりも１４倍大きい。この提案された荷重分散法は、柔軟性の接着系把持システムと転写システムについての新しい方法論を提案するものであり、天然のヤモリの足裏と類似するエリアスケーリングを達成することができる。
【００３１】
本発明の更なる態様は、把持器具を製造する方法に関する。把持器具は、膜、可撓性筐体、膜と筐体の間に存在するキャビティー、およびキャビティーに接続される（シリンジポンプまたは真空ポンプなどの）空気圧レギュレータへの接続を含み、膜は可撓性筐体の周囲に強固に接続される。この方法は、筐体、および筐体と一体化されたまたは筐体の周辺に結合された膜を提供するステップを含み、任意に、キャビティーから離れた膜の一方の側の膜上に複数のアイランドを与えること、および／またはキャビティー内にスペーサ構造を与えることを含む。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
本発明のさらなる実施形態は、以下の記載と図面によって記述される。本発明は、実施形態により、以下の内容を示す図面を参照して以下に詳細に説明される。
【図１】種々の３Ｄ物体を保持する、提案された柔軟性の接着系把持システムの実演である。
【図２ａ】図１に係る柔軟性接着システムの構造、機構、および典型的な接着試験の概要図である。
【図２ｂ】図１に係る柔軟性接着システムの構造、機構、および典型的な接着試験の概要図である。
【図２ｃ】図１に係る柔軟性接着システムの構造、機構、および典型的な接着試験の概要図である。
【図３】ａからｃは、膜上のフィブリル状接着材（ＦＡＭ）内における垂直応力モデリングのための有限の要素分析である。
【図４ａ】異なる３Ｄ形状に対する剛直性接着システムにおける分析と力測定である。
【図４ｂ】異なる３Ｄ形状に対する剛直性接着システムにおける分析と力測定である。
【図４ｃ】異なる３Ｄ形状に対する剛直性接着システムにおける分析と力測定である。
【図４ｄ】異なる３Ｄ形状に対する剛直性接着システムにおける分析と力測定である。
【図４ｅ】異なる３Ｄ形状に対する剛直性接着システムにおける分析と力測定である。
【図４ｆ】異なる３Ｄ形状に対する剛直性接着システムにおける分析と力測定である。
【図５ａ】柔軟性接着システムの評価結果である。
【図５ｂ】柔軟性接着システムの評価結果である。
【図５ｃ】柔軟性接着システムの評価結果である。
【図５ｄ】柔軟性接着システムの評価結果である。
【図５ｅ】柔軟性接着システムの評価結果である。
【図５ｆ】柔軟性接着システムの評価結果である。
【図５ｇ】柔軟性接着システムの評価結果である。
【図６】平坦なマイクロファイバーアレイ、および生物のヤモリの接着材と比較された柔軟性接着システムのスケーリングである。
【図７】ＦＡＭを作製するための作製プロセスの個々のステップを示す概要図である。
【図８ａ】ＰＤＭＳパターンの３Ｄ走査像とディメンジョンである。
【図８ｂ】ＰＤＭＳパターンの３Ｄ走査像とディメンジョンである。
【図９】ａからｃはＦＡＭ上のマッシュルーム形状エラストマーマイクロファイバーアレイのＳＥＭ像である。
【図１０】ＦＡＭを用いる剛直性システムを得るための作製プロセスの個々のステップを説明する概要図（従来技術）である。
【図１１】ＦＡＭを用いる剛直性システムを得るための作製プロセスの個々のステップを説明する概要図である。
【図１２】接着システムを評価するための、カスタム化された実験装置の写真である。
【図１３】ａからｅは、異なる境界条件における剛直性接着システムの分析モデルの概要図である。
【図１４】平坦なガラス表面上における引き込み距離（ｚr）に対する反力（Ｆr）プロファイルの計算結果（図１４ａ）、および引き込み開始時における反力プロファイルの拡大図（図１４ｂ）である。
【図１５】ａとｂは、剛直性および柔軟性接着のためのＦＡＭの接着有効仕事（ωad）と接着応力（σad）の評価である。
【図１６】ａとｂは、柔軟性接着システムのＦＡＭ上の単一のマイクロファイバーの接着応力（σad）の評価である。
【図１７】剛直性および柔軟性接着システムの接着における種々の評価結果に関する詳細情報を有する表１を示す。
【図１８】剛直性および柔軟性接着システムの接着における種々の評価結果に関するさらなる詳細情報を有する表２を示す。
【図１９】ＦＡＭに関する更なる情報を詳述する表３を示す。
【図２０】ＦＡＭに関する更なる情報を詳述する表４を示す。
【図２１】ＦＡＭに関する更なる情報を詳述する表５を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、同一の参照番号は、同一または等価な機能を有するパーツに用いられる。構成の方向に関しての記載はいずれも図面において示された位置に対してなされてており、使用時の実際の位置においては当然ながら異なる。
【００３４】
図１は、種々の３Ｄ物体１２を保持する柔軟正の接着系把持器具１０を示す。図１ａは、２００ｍＬの液体で満たされた丸いガラスフラスコ（総重量３０７グラム）を保持する把持基部１０を示す。図１ｂから１ｄは、物体１２として用いた１１８グラムのコーヒーカップを異なる位置で保持する把持器具の様々な写真を示す。図１ｂでは、把持器具１０はコーヒーカップ１２の外表面、すなわち凸形状の表面と噛み合っている。図１ｃは、コーヒーカップ１２の内表面、すなわち、凹形状の表面と噛み合った把持器具１０を示す。図１ｄは、コーヒーカップ１２の取っ手を把持する把持器具１０を示す。図１ｅは、合計４１ｇの二つのトマトを有するつるに付いたままのチェリートマトを把持する把持器具１０を示す。図１ｆは、１３９ｇのプラスチックバッグ１２を把持する把持器具１０を示す。図１において示されるスケールバーは１０ｃｍに対応する。
【００３５】
このように、図１ａからｆによって、把持器具１０の内圧を制御することで、把持器具１０の膜７の表面１２全体（図２参照）にわたる等価荷重分散が可能となることが示される。このように、膜７は、凸面から凹面、平滑な面から荒い面、硬い面から弾力のあるおよび／または弾性のある面に至る多種多様な異なる３Ｄ表面を把持可能なユニバーサル把持界面として働く。
【００３６】
この提案された弾性のある接着性把持器具１０は、二つの基本的な機構の組み合わせを通じで物体１２に対する接着力を増大させることができる：（ｉ）荷重をより均一に界面に分散するための負の圧力差、および（ｉｉ）低下したチャンバー圧に応答して弾性のある把持器具１０が実行する受動的な変形の利用である。これにより、接着している膜７が高い負の圧力差において物体１２から剥離することが防止される。
【００３７】
したがって、本発明によると、キャビティーと外環境との間の圧力差を利用することは、多種多様な湾曲した形状上において、膜に支持されたマイクロファイバーアレイの接着力を増大させるために効果的であることが見出された。
【００３８】
このことは、把持作動のために記述される器具によって達成され、センサーや電子機器を含む付加的なハードウェアの導入を必要としない。実験結果は、物体１２の表面に接するマイクロファイバー８内で圧力によって制御された荷重分散（図２ａ参照）によって接着力が増大するだけでなく、天然のヤモリの接着システムに類似するエリアスケーリング則が得られることを示している。このようなエリアスケーリングが可能なことは、他のマイクロファイバー接着材では観測されておらず、３Ｄの非平面形状を有する物体１２を把持する際に界面荷重分散の改善が重要であることを示唆している。
【００３９】
図２は本発明の把持器具１０を具体的に示しており、把持器具１０は、筐体５、膜７、筐体５と膜７の間のキャビティー１８、キャビティー１８への接続経路を形成するシリコンチューブ１、および周辺９の領域で膜７と筐体５の間に存在するビニルシロキサンの結合層２を備える。操作を容易にするため、筐体５上のゴムリング４と噛み合う外ケース３も任意にあってもよい。
【００４０】
図２ａ（Ｉ）は、把持器具１０のパーツの部分的な模式図である。把持器具１０は、アイランドがその上に形成された膜７を有し、アイランドは膜７の表面から突き出たマイクロファイバー８の形状で設けられる。把持器具１０はさらに、可撓性筐体５を備える。膜７は筐体５の周辺９に強固に固定される。キャビティー１８が膜７と筐体５の間に存在する。キャビティー１８内に負圧を誘起できるようにするため、ガス伝導経路１を介するガス伝導方式によって当該キャビティーに接続される空気圧レギュレータ４、この例ではシリンジポンプ４、との接続が設けられる。
【００４１】
膜７には、根本的に別個の二つの形態が考えられる。一つの形態では膜７の外表面２０にはアイランドは要求されず、もう一つの形態では膜７上に存在するアイランド（凸部）が存在し、アイランドはピラーまたはナノバンプ若しくは別のものによって形成することができる。
【００４２】
スペーサ構造６がキャビティー１８内に存在する。この例では、スペーサ構造６は筐体５の内表面２２に固定されており、内表面２２は上記膜７に対向する。この例では、スペーサ構造６は複数の円柱状ポスト２４を含み（図２ａ（ＩＩ）参照）、空間２６が円柱状ポスト２４の間に存在する。空間２６は相互接続チャネル２６とも記される。円柱状ポストの間に形成される空間２６によって、キャビティーにかけられる負圧が把持器具内で均一に分散される。
【００４３】
図２ａは、提案された柔軟性接着把持器具２０の構造的特徴を詳細に示す。膜７上のフィブリル状接着材（ＦＡＭ）は、柔軟で変形可能なチャンバー５によって支持されており、チャンバー５はシリンジポンプ４に接続され、システム内圧力の制御を可能にする（図２ａ−Ｉ）。柔軟な把持チャンバー１８は、直径が１８ｍｍであり、厚さが６００μｍであり、柔軟で高伸縮性のシリコンエラストマーで作製された直径４００μｍのピラーに似た内部スペーサ２６を備える。柔軟なチャンバー１８は、３Ｄ印刷されたプラスチックの外ケース２８によって支えられ、膜７の接触面全体にわたって予荷重を確実に均一に分散する。
【００４４】
システムの各シリコン成分は、ビニルシロキサン（ＶＳ）エラストマーを用いて結合される。このことは、ＶＳが周辺９の領域に設けられて膜７と筐体５の間の封止接続を確保することを意味する。ＦＡＭ７は、垂直に配列されたマッシュルーム形状のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）マイクロファイバー８によって構成され、マイクロファイバー８は、チップ直径６９μｍ、間隔３１μｍ、高さ４２μｍであり、２５０μｍの厚さの薄いＰＤＭＳ裏地層によって支持される（図８、９）。したがって、筐体５と膜７は同一の材料で作製される。結合層２を用いずに、例えば注入モジュールプロセスにおいて筐体５と膜７を一体形成することも可能である。
【００４５】
この点に関し、膜７と筐体５は異なる材料で複数のステージを有する製造プロセスを利用して形成することもできる。
【００４６】
この点に関し、筐体５と膜７は、以下の材料から製造することができることに注目すべきである：高分子、ゴム、複合材、熱可塑性材料、ハイドロゲル、相変化材料、形状記憶材料、液体材料、ＶＳ、ＰＤＭＳ、液晶エラストマー、エラストマーゴム、シリコンゴム、ポリウレタン。
【００４７】
さらに膜７と筐体５は、１０ｋＰａから６００ＭＰａの範囲から選択されるヤング率を有することができる点に注目すべきである。このため、筐体５と膜７の材料は撓みやすい材料であり、把持器具１０が把持しようとする物体１２の表面のトポロジーに適合するおよび／または順応するように選択される可塑性を有する。
【００４８】
図２ａ−ＩＩに示すように、マイクロファイバー８（図２ａ−ＩＩ）は膜７の全領域を覆い、これにより、把持器具１０が取り付けられる基材１２と膜７の間にギャップが形成され、空気が実質的に妨害されることなく接触界面を通して移動することができ、柔軟性システムの接着に寄与し得る吸引力の増大を防ぐことができる。例えば、把持器具が人や動物の皮膚に接着するように使用されても、依然として皮膚は呼吸や発汗を普通に行うことができる。ＦＡＭ７はウェットまたはドライプロセスを用いて洗浄することができ、これにより、信頼性のある、反復可能なパフォーマンスが可能となり、さもなければ、塵やオイル、汚れの蓄積によって影響を受けることになる。
【００４９】
以下で示されるように、キャビティー１８は、把持器具１０によって把持機能が発揮されるように排気できるように構成される。この目的のため、筐体５と膜７は、把持される物体１２の表面の形状を少なくとも実質的に反映した形状に適合するように構成される。キャビティーは、例えば好ましくは＋１０ｋＰａから−１００ｋＰａの範囲の負圧差、または大気圧に対して−１０１．３ｋＰａまでの負圧差まで排気できるように構成されることが好ましい。
【００５０】
好ましくは、少なくとも実質的に均一な負圧差が筐体と膜の間のスペーサ構造内に存在する。
【００５１】
把持された物体１２を外すため、把持器具１０、すなわちキャビティー１８には、少なくとも大気圧まで、または把持器具の把持機能の解放を目的として正の機能まで再度膨張させるために、ガス、典型的には空気を導入することができる。
【００５２】
アイランドの間にはボイドが存在するという点にも注目すべきであり、アイランドの表面積に対するボイドの表面積の比が当該膜７上のアイランドの密度を定義する。この例では、マイクロファイバー８の形状として形成されるアイランドは膜７と一体化されている。
【００５３】
アイランドは、１０-4から１０4の範囲、好ましくは０．０１から１０００の範囲、最も好ましくは０．１から１０の範囲、特に１から５の範囲から選択されるアスペクト比を有するという点にも注目すべきである。
【００５４】
負の圧力差（ΔＰ）の荷重分散に対する効果が図２ｂに示される。ここで、内圧（Ｐi）は把持チャンバー１８、チューブ、およびシリンジポンプ内の空気圧に相当し、常に正である。圧力差は、大気圧（Ｐatm）を引いたキャビティー１８の内圧として定義され、正でも負でもよい。したがって、負の圧力差とは、内圧の絶対値が大気圧（１０１．３ｋＰａ）よりも低いことを意味する。
【００５５】
同様に、高い負の圧力差は、内圧が実質的に大気圧よりも小さいことを意味する。高い負の圧力差においては、大気圧によってチャンバー１８がＦＡＭ７上で萎まされる（図２ｂ−Ｉ）。このことは、筐体５の形状が少なくとも実質的に膜７の形状に適合し、同様に膜７の形状は少なくとも実質的に把持器具１０によって把持される物体１２の表面に適合することを意味する。
【００５６】
チャンバー１８内のスペーサ２４（図２ｂ−ＩＩＩ６）は、チャンバー１８が萎んだ際においてもＦＡＭ７が圧力差に晒されることを保証する（図２ｂ−ＩＩＩ）。引っ張る最中に大きく変形する状態では剥がれて貧弱な接着力を示す典型的な接着システムとは対照的に、把持システム１０は、変形することにより、柔軟なチャンバー１８内のスペーサーが裏地から持ち上がることができ、膜の大きな面積が負の圧力差に晒されるため、変形による利点を得ることができる。同様に、これにより、負の圧力差によってより均一に界面引張応力の分散が可能になって結合力（Ｆad）が改善されることで荷重分散が高めらる。
【００５７】
図２ｃは、柔軟性接着システム１０の典型的な力測定を示し、その対応する力（円を有する直線）と圧力（十字を有する破線）の曲線が示される。図２ｃ−ＩＩＩは反力（Ｆr）を時間（ｔ）の関数として与える。まず、柔軟性接着システムが基材に近づき（図２ｃ−Ｉ１）、界面に誘起される圧縮の予荷重力（Ｆpre）で接触する（図２ｃ−Ｉ２）。図２ｃ−ＩＩＩに示すように、予荷重は最大の反力であり、基材の曲率半径に応じて０．５Ｎから１．０Ｎの範囲となる。
【００５８】
あらかじめ決められた接触時間の間、柔軟なチャンバー１８に対して負の圧力差が印加され、その後システムは５０μｍ・ｓ-1のアンロード速度でゆっくりと引っ張られ、接着において起こり得る粘弾性効果を最小にする。引っ張り開始時における圧力差（図２ｃ−Ｉ３）は初期圧力（ΔＰ0）として定義され、これは正でも負でもよい。反力は、図２ｃ−ＩＩＩの最小の反力に対応する引き抜き力（Ｆoff）に達するまで、引っ張られる間減少する（図２ｃ−Ｉ４）。図２ｃ−ＩＩＩに示すように、柔軟性接着システム１０は、引き抜き力に達した後、基材１２から即座に外れる。
【００５９】
弾性原理とポテンシャル停留原理を用い、表面１２に接するマイクロファイバー８´内における荷重の分布に対する内圧差（ΔＰ0）の影響を検討し、湾曲した表面１２上での膜７の接着力を見積もった。ファイバー内での荷重分布に対する定性的な理解を発展させるため、ＦＡＭ上の軸対称アレイを２Ｄ平面−ひずみ線形弾性を用いてモデル化される。
【００６０】
図３ａに示すように、ＦＡＭは、直径Ｌm＝２．１５ｍｍと厚さｈ0＝２５０μｍを有する非圧縮性フック固体として簡素化される（ヤング率Ｅm＝２．１ＭＰａ）。ＦＡＭのエッジは、その厚さの５％に対応する垂直変位（ｕ0）に供される。各マイクロファイバーは、幅Ｌf＝５０μｍ、高さｈf＝５０μｍ、および間隔Ｌg＝５０μｍを有し、規定された荷重条件で基材と接触したままであると仮定する。
【００６１】
0006901095.tif 000002
【００６２】
最小ポテンシャルエネルギーの原理に基づく分析を用い、非平面３Ｄ形状への膜７の接着力に対する内部空気圧の影響を検討した。
【００６３】
図４ａに示すように、接着システムのこの剛直バージョンは、半球チャンバーによってエッジに沿って支持された円形のＦＡＭ７によって構成される。柔軟なチャンバー５と比較すると、チャンバーは同じ１８ｍｍの直径を有するが、１ｍｍという、少し厚い壁を有する。柔軟性把持装置と同様、剛直性把持装置に用いられるＦＡＭ７はＰＤＭＳによって構成され、２５０μｍの厚さを有する。チャンバーの弾性変形を排除し、膜の変形に焦点を当てることにより、この代替システムの検討によって分析を簡素化することができる。特に、種々の設計パラメータ（例えば、膜の厚さと弾性率）の影響を検討することや、より均一な荷重分散制御を実現するための条件を見極めることが可能となる。
【００６４】
図４は、負の圧力差（ΔＰ0）において球状の基材から引っ張られている剛直性接着システムの概要図である。矢印は反力（Ｆr）の方向を示す。
【００６５】
ファイバーアレーの荷重分散モデルと同様、膜接着理論の目的は、どのように負の差圧が界面力学に影響を及ぼすかについての定性的理解を確立することである。接着を支配する基本力学を維持しつつ分析をさらに簡素化するため、以下の仮定をおく。まず、フィブリル界面は組織化されていない平坦な接着表面であると仮定する。次に、エラストマーＦＡＭ７は圧縮できないと仮定し、全領域に亘って均一な厚さを有し、先端部が切断された円錐の形状に変形する。これらの仮定は、円周方向、子午線方向、および厚さ方向における主軸伸張が
【数１】
0006901095.tif 000003
【数２】
0006901095.tif 000004
および
【数３】
0006901095.tif 000005
であることを意味する。変形された形状についてのこのような簡単な形状仮定は、比較的低い負の圧力差（ΔＰ0）と高い接着仕事（ωad）の支配下にある膜に対して妥当である。ここで、Ｒ0はＦＡＭの半径８ｍｍであり、ｒbは湾曲した表面の半径であり、ｚは、原点（ｏ）が位置する湾曲表面の先端に対する剛直性接着システムの垂直位置であり、ｒはあるｚにおける接触半径である（図４ａ）。
【００６６】
モデルの詳細は以下のＳｅｃ．ＩＩで述べる。図４ｂは、引き込み距離（ｚr）に対する異なる初期圧力に応じた、剛直性システムと平坦なガラス基材の間の反力（Ｆr）のプロファイルの計算結果である。引き込み（アンロード）が起こる前では、内圧の減少によって柔軟性接着システムが界面へと引っ張られ、これにより、図４ｂにおける初期の負の反力が説明される。ＦＡＭの接着力が、印加される内圧に耐えれる限り、初期の反力の減少は、内圧と実際の接触面積の積によって見積もることができる。しかしながら、図３でシミュレーションされるように、この接着力は吸引によるものでは無く、表面と接触しているファイバー内における界面負荷の均一な分散に起因するものである。
【００６７】
引き込みが始まった時には、接しているＦＡＭ７のエッジがその限界界面強度に達して剥離が開始されるまで、反力はかなりの低下を示す。本モデルによると、この低下は初期接触面積が小さいほど急峻さが小さくなり、その結果、剥離の限界界面強度に至るために要求される引き込み距離が長くなる（図１４）。劇的な低下を通じた遷移の後、反力は接着膜の剥離力学に従ってＦＡＭが完全に外れるまで増大し始める。
【００６８】
負の圧力差がより高いと、荷重が全ての接触領域においてより均一に分散することによって、剛直性接着システムの引き抜き力が高くなる（図４ｂ）。同時に、負の圧力差があると、ＦＡＭが剛直性接着システムの内部チャンバーへ引っ張られるため、付加的な引張応力、および膜７の変形に起因する高い剥離角によってＦＡＭ７の分離を加速することができた（図１３ｃ）。図４ｂは、様々な初期圧力（ΔＰ0）についての、引き込み距離（ｚr）に対する平坦なガラス表面上の反力（Ｆr）のプロファイルの計算結果を示す。
【００６９】
図４ｃと４ｄは、ＦＡＭの種々の設計パラメータについての、１０ｍｍから５００ｍｍの範囲の直径（ｄb）を有する球状のガラス基材上における引き抜き力（Ｆoff）の計算結果を示す。特に、図４ｃは、厚さ（ｈ0）（Ｉ）とヤング率（Ｅm）（ＩＩ）を変化させた際のガラス球の直径（ｄb）を関数とする引き抜き力（Ｆoff）の計算結果を示す。図４ｄは、接着仕事（ωad）（Ｉ）と初期圧力（ΔＰ0）（ＩＩ）を変化させた際のガラス球の直径（ｄb）を関数とする引き抜き力（Ｆoff）の計算結果を示す。これらの全てのプロットにおいて、既定のパラメータ値は、ｈ0＝０．２ｍｍ、Ｅm＝２．１ＭＰａ、ωad＝４．０Ｊ・ｍ-2、およびΔＰ0＝０ｋＰａである。（ｅ）平坦なガラス表面上における引き込みに対する反力プロファイルの異なる初期圧力に応じた測定結果、（ｆ）異なる曲率のガラス基材上における引き抜き力の初期圧力に応じた測定結果。各ポイントは５回の測定の平均を示し、エラーバーは±１ＳＤ（標準偏差）である。これらの結果は、厚さ（ｈ0）とヤング率（Ｅm）は、小さい球形状に対する引き抜き力の増大には効果的ではないことを暗示している（図４ｃ）。
【００７０】
これに対し、接着有効仕事（ωad）と負の圧力差（ΔＰ0）は、ともに全ての球形状に対して引き抜き力を増大することが可能であった（図４ｄ）。一旦膜を作製すると、接着有効仕事を積極的に調整することは、しばしば困難である。調整のための方法として可能性があるものは、加熱、静電帯電、あるいは他の形式による能動的な刺激である。図４ｄ−ＩＩにおける分析から、検討した３Ｄ表面曲率の全ての範囲について、４ｋＰａの初期圧力の低下に関し、接着力を倍にできることが予測される。
【００７１】
図４ｆは、異なる初期圧力において、平坦なガラス基材、および１５ｍｍ、３０ｍｍ、および６０ｍｍの直径を有する球状ガラス基材について検討した剛直性接着システムの引き抜き力を示す。平坦基材に対する接着力について実験的に測定された反力プロファイルも図４ｅに示されている。ＦＡＭの接着有効仕事と対応する接着応力は、それぞれ４．１Ｊ・ｍ-2と１０１ｋＰａと見積もられた（図１５ｂと表３（図１９））。球状曲率に応じ、シリンジポンプ内の体積を変化させることによって種々の初期圧力を印加した。正の初期圧力は、空気を抜かない状態で予荷重中にシステムを圧縮することで生じさせる。
【００７２】
初期圧力が減少すると、引き抜き力が高くなって分離に至る引き込み距離が短くなることを考慮すると、図４ｅにおけるの平坦ガラス基材１２上における実験に基づく反力は、論理モデル（図４ｂ）との定性的一致が妥当であることを示している。図４ｆにおける実線で示される引き抜き力の測定結果は理論予想に近く、実験結果ら僅か１１％の平均偏差に過ぎなかった。適用可能な最大の負の初期圧力は、３０ｍｍの直径を有するガラス球上では僅か−４．１ｋＰａであり、１５ｍｍの直径を有するガラス球ではさらに低くなった。後者の場合、最大の負の圧力は−０．７ｋＰａまで減少し、図４ｆに示すように小さな接触面積と低い剥離抵抗に対応していた。平坦なガラス上における引き抜き力は２．２倍増大し、一方３０ｍｍの直径を有するガラス球上では最大で５倍まで増大した。１５ｍｍの直径を有する球上では、引き抜き力の改善は僅か１．２倍であることが観測された。
【００７３】
剛直性システムは、界面結合力の増大に関し、負の圧力差から幾つかの利点を明らかに示す。しかしながら、種々の非平坦３Ｄ形状に高い負の圧力差を印加する場合、完全に柔軟な接着システムは、限界の幾つかを克服することによってさらにより劇的な改善を示す。図２ｂ−Ｉに示すように、柔軟なチャンバー５が変形すると、好ましくないエアーポケットが排除され、これにより、検討した全ての基材、１５ｍｍ、３０ｍｍ、６０ｍｍの直径のガラス球、平坦なガラス、および４００μｍの厚さのエコフレックス（登録商標）００−３０（Ｓｍｏｏｔｈ−Ｏｎ社）製エラストマーフィルム、について、−５０ｋＰａを超える高い負の圧力差が実現可能となる。これは、剛直性システムにおいて可能な最大の負の初期圧力よりも約１０倍大きい。特に、柔軟性接着システム１０上のＦＡＭ７は、７０倍大きい負の圧力差により、１５ｍｍ直径のガラス球との接触を維持し、接着力を増大させる。
【００７４】
柔軟性接着システム１０のＦＡＭ７は、剛直性システムのそれよりも接着力が低く、それぞれ３．３Ｊ・ｍ-2と７３ｋＰａの接着有効仕事と接着応力を示す（図１５ａと表４（図２０））。図５ｂは、異なる初期圧力（ΔＰ0）を関数とする柔軟性接着システムの引き抜き力（Ｆoff）の測定結果を示す。全体的に、引き抜き力はΔＰ0とともに増大し、圧力が−４０ｋＰａと−５０ｋＰａの間の時に最大値へ収束する。しかしながら、凡そ−３５ｋＰａの圧力差によってこの最大引き抜き力の９０％を達成することができる。平坦なガラス上では、柔軟性接着システムの引き抜き力は、高い負の圧力差が無い場合における力と比較すると５．４倍増大する。特に興味深い点は、１５ｍｍ直径のガラス球などの大きく湾曲した３Ｄ形状において示される優れた性能であり、引き抜き力は６．７倍に改善することができた。ＦＡＭや他の多くの接着材が容易に剥離してしまうような変形・伸縮が可能な基材であっても、高い負の圧力差の下、柔軟性システムは接触を維持することができ、７．２倍に引き抜き力を改善することができた。
【００７５】
図５ｃは、異なる基材上における柔軟性接着システムの、印加された初期圧力（ΔＰ0）で規格化された接着応力（σad）の割合として定義される変換比（σad／ΔＰ0）を示す。柔軟性接着システムは、低い負の圧力差において、ＦＡＭ上のマイクロファイバーが圧力差に依拠することなく依然と接着力を働かせることができるので、高い変換比を示す。柔軟性接着システムは、−１０ｋＰａにおいて、１５ｍｍ直径の球状ガラス上では１００％よりもさらに高い変換比を示す。
【００７６】
一方、印加された負の圧力差ほどの接着力をシステムが達成することができない場合には、高い負の圧力差では、変換比はかなり減少する。異なる直径の球状ガラスの中では、小さい球ほど高い変換比を示す。同じ接触面積を有する６０ｍｍ直径の球と平坦なガラスの間では、湾曲した基材よりも平坦な表面がより優れた変換比を示す。
【００７７】
全体的に、柔軟性接着システムは、−３５ｋＰａの初期圧力において、ガラス上では約３０から５０％の変換比を達成することができる。しかしながら、これらの値は膜の接着性に大きく依存する。図５ｂにおいて既に示したように、柔軟性接着システムは、ゴム膜上では、ガラス基材１２上での接着ほど高い接着力を達成することができず、全ての初期圧力において変換比は２０％よりもかなり低い。このことは、より接着力のある膜を適用することで、ガラス基材上での変換比が高くなる可能性があるという結論を導く。したがって、本接着システムに許容される最大の接着力は、根本的には、ファイバー−表面接触界面の最大接着強度によって制限される。とはいえ、負の圧力差は、表面と接触するマイクロファイバー８の中でどのように界面荷重が分散されるかを変化させ、接触の総和が支持できる限界の範囲内での接着性能を高める。
【００７８】
従来のマイクロスケールの接触実験は、最適化された先端形状を有するマイクロファイバー８は、等価荷重分散に起因してより高い引き抜き力を示すことを明らかにしており、速いクラック成長を伴う分離に至るまでの引き込み距離が長い点が特徴である。柔軟性システムは、荷重分散を改善することにより、４桁大きい接触面を有するマクロスケールにおいて、同様の特徴を発現する。剛直性システムの高い引き抜き力を伴う短い引き抜きとは異なり、図５ａは、負の圧力差によって分離を遅らせつつ引き抜き力を増大させることが柔軟性の本システムによって可能であったことを示している。
【００７９】
図５は、柔軟性接着システムの評価結果を示す。図５ａは、高い負の圧力差（ΔＰ）に起因して平坦なガラス基材上で完全に萎んだ柔軟性システムの概要図、および異なる初期圧力（ΔＰ0）に応じて、平坦なガラス表面上での引き抜きに対する反応力（Ｆr）がどのように描かれるかを示す。図５ｂは、初期圧力に応じた種々の基材上における引き抜き力（Ｆoff）の測定結果を示す。図５ｃは、初期圧力を関数とする種々の基材上における変換比（σad／ΔＰ0）を示す。図５ｂと５ｃにおける各ポイントは、５回の測定の平均を表し、エラーバーは±１ＳＤである。図５ｄは、内圧（Ｐi）を変化させることなく（Ｉ）、および高い負の圧力差の下（ＩＩ）、平坦なガラスから引き抜かれている柔軟性システムを示す。
【００８０】
図５ｅは、１．７ｋＰａの初期圧力において平坦なガラス１２から引き抜かれている柔軟性システム１０の側面図（Ｉ）、および対応する接触界面の顕微鏡像（ＩＩ）を示す。見積もられたクラック成長速度は１．５ｍ・ｓ-1である。
【００８１】
図５ｆは、−５２ｋＰａの初期圧力において平坦なガラス１２から引き抜かれている柔軟性システム１０の側面図（Ｉ）、および対応する接触界面の顕微鏡像（ＩＩ）を示す。見積もられたクラック成長速度は１７９ｍ・ｓ-1である。図５ｇは、−４６ｋＰａの初期圧力において、低い接着力のＦＡＭを有し、平坦なガラスから引き抜かれている柔軟性システムの接触界面の顕微鏡像を示す。（ｅ−ＩＩ）、（ｆ−ＩＩ）、および（ｇ）のスケールは１ｍｍである。ＦＡＭが外れる瞬間をゼロ秒（０ｓ）とする。
【００８２】
図５ｄ、５ｅ、５ｆはそれぞれ、平坦なガラス界面上における柔軟性システムの概要図、側面図、および顕微鏡像を示す。負の圧力差の非存在下では、柔軟なチャンバーは萎まず、ＦＡＭは接触エッジにおいて高い応力集中を受ける（図５ｄ−Ｉ）。このことは、８ｍｍという短い引き込み距離の間（図５ａ、図５ｅ−Ｉ）、界面からのゆっくりとした剥離を誘起する（図５ｅ−ＩＩ）。これに対し、高い負の圧力差では、柔軟なチャンバーは萎み、ＦＡＭの剥離を強く抑制し、これにより、柔軟性システムは３倍大きい引き込み距離でも接触を保つ（図５ｆ−Ｉ）。柔軟性システムが引き抜かれる瞬間、柔軟なチャンバーの非常に大きな伸張により、限界せん断応力よりも高いせん断力が発生し、剥離が誘起され、ＦＡＭは接触エッジから外れ始める（図５ｄ−ＩＩ）。等価荷重分散界面は高い張力に対して耐え得るので、接触面積の小さな損失はＦＡＭ全体の瞬時の脱離の引き金となり得る（図５ｆ−ＩＩ）。この場合、クラック成長は、負の圧力差が無い場合よりもおおよそ１１０倍速く、このことは、等価荷重分散の影響の重要性を強く意味している。
【００８３】
本実験装置によって許容される負の圧力差の範囲内では、柔軟性システムのＦＡＭ７は常に接触エッジから外れる。しかしながら図５ｇに示すように、接着性の低いＦＡＭ７（接着有効仕事と接着応力がそれぞれ３．１Ｊ・ｍ-2と５６ｋＰａ）を用いた場合、同様の負の圧力差によって中心においてクラック成長が開始した。図５ｅ、５ｆ、５ｇの結果は、柔軟性接着システム１０が、図３に示した分析において論理的に予期されるように、圧力差を制御して全領域にわたって荷重分散を変化させることで、クラックの開始を操作できることを示している。
【００８４】
柔軟性および剛直性接着システムの間では、二つのシステムにおけるＦＡＭが異なる接着有効原理を有しているため、引き抜き力を直接比較することはできない。荷重分散に関して柔軟性接着システムと剛直性接着システムの間で性能を比較するため、ＦＡＭ７上のマイクロファイバーアレイの接着応力によって規格化された接着システムの接着応力の割合として定義される接着効率（εad）が採用される。
【００８５】
分離まで荷重が均等に全界面にわたって分散されると、接着システムはマイクロファイバーアレイの最大の接着応力に達する（すなわち、εad＝１００％）。負の圧力差の下では、剛直性接着システムは、平坦なガラス表面１２上では最大接着効率の僅か６．６％しか実現できなかった。チャンバーから空気を除かないと、６０ｍｍ直径のガラス上では効率は１．８％まで低下し、界面は容易に消失する。これに対し、柔軟性接着システムでは、平坦なガラス上では１９．５％の接着効率まで利用することができる。このシステムは、完全な接触が構築できないような小さく、かつ大きく湾曲した形状に対してさらに効果的である。１５ｍｍ直径のガラス上において最大接着効率は約２５．７％であり、これは非平坦な表面上で圧力を制御しない場合における剛直性接着システムの効率よりも１４倍大きかった。
【００８６】
図１７と１８に、それぞれ剛直性接着システムと柔軟性接着システムの評価結果のより詳細な情報が提供される。図１では、柔軟性接着システムの可逆的荷重分散機構が、複雑な３Ｄと変形可能な形状を有する種々の物体を取り扱うことを可能にする柔軟性接着材のピックアンドプレース把持装置として示されている。柔軟性接着システムは、窪んだ（図１ｂ）または突き出た曲率（図１ｃ）に適合することができ、２．５ｃｍ2の接触面積によって３００ｇを超える重さを支持する十分に高い有効荷重を提供することができた（図１ａ）。図１ｄでは、柔軟性システムは、大きく湾曲し、ＦＡＭよりも小さな形状に対する接着力を増大させることができ、図１ｂと１ｃにおける完全接触によって可能となる重量と銅で井戸の大きさの重量を持ち上げることができる。ヤモリの生物学的な足の毛とは異なり、合成マイクロファイバーは表面粗さに高度に敏感であり、強い接着のためにはガラスのような非常に滑らかな表面が要求される。しかしながら、柔軟性システムは、チェリートマトのような僅かに粗い表面上において、マイクロファイバーの弱い接着力を増大させることができる（図１ｅ）。柔軟性接着システムはまた、柔軟で変形可能な表面を扱う際にも良好な結果を残すことができ、これは硬さを調整可能な材料に基づいて制御可能な接着力学にとっては可能なことではない。図１ｆに示すように、柔軟性システムは、物体が変形しても接触を維持することができ、操作の間、接着による付着を効果的に保持することができる。
【００８７】
理想的にスケールアップされたマクロスケールの接着システムでは、マイクロスケールの相対物と比較して接着力を失うことがないはずである。均等荷重分散は、理想的な結合条件に近づくこと、および所定の接触面積（Ａc）にわたって耐荷重を最大化させることについて、重大な役割を担う。人間が作り出した接着システムのスケーリング効果を判断するためのベンチマークとしてヤモリが使用されてきた。ヤモリの接着システムでは、単一のとげの結合から二つの足の付着までのせん断応力（σsr）は、平坦なガラス表面ではスケーリングべき乗則σsr∝Ａｃ-0.24に従うと報告されており、純粋な垂直接着応力（σad）のためのスケーリング則に関し、結論付けられた評価は得られていない。これは、ヤモリの接着は摩擦と強く結びつけられているからである。せん断力と結びつけられた接着におけるヤモリのスケーリング傾向は、とげから動物レベルに至る範囲のせん断応力におけるスケーリングに酷似していることが見出されている。したがって、ヤモリは横方向と縦方向の両者において類似するスケーリング効率を有すると仮定し、剪断方向におけるヤモリのスケーリングを接着応力における接着システムのスケーリング性能を評価する指標として採用した。
【００８８】
図６に示すように、異なるサイズの球状および平坦なガラス基材上における単一のファイバー、マイクロファイバーアレイ、および柔軟性接着システムの接着応力を、ヤモリの足の毛のせん断応力とともにプロットする。小さな接触エリアを有する単一のファイバーとマイクロファイバーアレイの接着応力の見積もりは、図１６と表５（図２１）に詳細に示される。剛直な裏地に固定された単一のファイバーとマイクロファイバーアレイ間のスケーリング関係は、点線ａで示されるように、最小二乗法を用いてσａd∝Ａc-0.12のべき乗則として見積もられる。このスケーリング関係により、フィブリル状の接着材を有する接着システムが最大限達成できるスケーリング効率の理論的な上限が与えられる。
【００８９】
剛直な裏地上の単一のファイバーやマイクロファイバーアレイと異なり、柔軟性荷重分散システム１０上の撓みやすいＦＡＭ７の接着応力は、応力集中の導入によって破壊強度が大幅に失われるため、理論的な最大値の線形傾向から逸脱する。図６の点線ｂとｃは、最小二乗法によって計算された単一のファイバーとマイクロファイバーアレイの柔軟性システム、および全体の柔軟性システムからのスケーリング傾向を示す。負の圧力差が無い場合（図６における点線ｃ）、応力集中によってσad∝Ａc-0.41という貧弱なスケーラビリティとなる。これに対し、高い負の圧力差では（図６における点線ｂ）、柔軟性荷重分散システムは、同じ撓みやすい膜によって応力集中を最小化し、スケーリング効率をσad∝Ａc-0.21まで回復することで改善することができる。この値は、種々の平坦なおよび湾曲した３Ｄ表面上におけるヤモリのそれよりもわずかに高い。
【００９０】
図６は、平坦なマイクロファイバーアレイと生物のヤモリの接着材と比較した、柔軟性接着システム１０のスケーリングを示す。ヤモリの足の毛の接着のスケーリングは平坦な基材上のせん断応力（σsr）であり、柔軟性システムにおける他の結果は、３Ｄ湾曲した表面（円）と平坦な表面（菱形）の両者の上の垂直接着応力（σad）である。点線ａ、ｂ、ｃは、負の初期圧力の存在下（点線ｂ）および非存在下（点線ｃ）、平坦なガラスと１５、３０、６０ｍｍの直径の球のガラスの両者の上で測定された、単一のファイバー、マイクロファイバーアレイ、および柔軟性システムの接着応力における最小二乗の傾向である。点線ａは、単一のファイバーからマイクロファイバーアレイへのスケーリングである。各データ点は、５回の実験測定の平均を表す。
【００９１】
合成接着システムは、平坦なまたは僅かに湾曲した表面上におけるせん断応力についてのσad∝Ａc-0.02に関連するスケーリング効率を用いて展開した。柔軟性接着システムは、形状に対して鈍感な荷重分散を有し、天然のヤモリの接着システムに匹敵するエリアスケーリング効率を備える、人間が作り出した最初の接着システムである。したがって、柔軟性接着システムの概念により、様々な大きさの３Ｄ表面上において高い接着性が要求される幅広い接着の応用において、重要な利益が提供される。これには、転写システムや、幅広いサイズと曲率を備える剛直なおよび変形可能な基材を扱うことができる操作ロボット、航空機やスペースシャトル、管状表面などといった複雑な３Ｄ表面を走行可能な携帯ロボットが含まれる。
【００９２】
柔軟性エラストマーシステムは、高い３Ｄ表面適合性を有するが、大荷重下で大きく伸張すると、接触のエッジにおいてせん断応力が発生し、応力集中が生じる。柔軟性、ただし伸張しないエラストマーをチャンバーに用いると、この問題が解決され、さらに性能を向上させるかもしれない。本研究では、均等荷重分散によって膜７の接着能力を高めることに焦点が当てられ、軽量物体１２の解放のために接着システム１０の性能を最適化する試みは行われていない。
【００９３】
これまでは、接触しているマイクロファイバー８の剥離に膜７の伸張が利用され、これにより、ＦＡＭの結合力は単一のファイバーの接着力へ低下する。提案された柔軟性荷重分散機構と伸張可能なＦＡＭ７を将来組み合わせることで、制御された圧力差によって、接着における高い耐荷重と制御性を達成することができるかもしれない。ＦＡＭ７の分析モデルでは、チャンバー内が減圧下であっても、組織化されたフィブリル表面は平坦な表面として近似され、変形形状は先端部が切断された円錐として簡素化されてきた。フィブリル構造をより現実的な膜変形の力学に従って考察することで、より定量的に精密に予想できるモデルができるであろう。このようなモデルは将来の研究のために潜在的な機会を提供する。特に、柔軟で組織化された表面の接触力学に対するさらなる洞察を導くことができ、特定の応用のための最適化されたシステム設計に用いられるであろう。
【００９４】
図７は、ＦＡＭ７を作製するための実験手順を示す。最初のステップでは、内部にキャビティー４２を有するモールド４０が提供され、キャビティー４２を充填してアイランド８をキャビティー４２内に形成するために、ＰＤＭＳ前駆体材料４４がこのモールド４０上に分散される。この後、膜７の厚さがバーコーター４６によって決定される。本例では、厚さは２５０μｍである。ＰＤＭＳ材料４４は、この後９０℃で１時間で硬化される。
【００９５】
この後、マイクロファイバー８の形状を備えるアイランドがその上に形成された膜７をモールドから取り出す。膜７と物体１２の間の接触表面を増大させるため、アイランドの先端に対してＰＤＭＳまたはＶＳなどの材料の層を与えてマッシュルームヘッドの形状のアイランドを形成することができる。マッシュルームヘッドを形成するために、２０μｍの厚さのＰＤＭＳまたはＶＳの膜５０をガラス基板４８上に塗布し、インキングプロセスにおいてアイランドをＰＤＭＳまたはＶＳに導入する。アイランドをＰＤＭＳインク５０に挿入してアイランドをコーティングする前に、ＰＤＭＳを９０℃で３分部分的に硬化させる。この後、ＰＤＭＳインク５０によって覆われたアイランドをシリコンウエハ５２の近くに置き、最後に９０℃で６０分硬化させる。ウエハー５２から膜７を取り除くと、アイランドはその上に形成されるヘッドを有することになる。
【００９６】
円柱状のキャビティー４２を備える柔軟なＰＤＭＳモールド４０は、以前に報告したように、ＳＵ−８リソグラフテンプレートを複製することで得た。シルガード（登録商標）１８４のシロキサンのベースと硬化剤を１０：１の比で混合し、脱ガスし、円柱状キャビティーに形作られたＰＤＭＳモールド上にキャストした。過剰のプレポリマーはバーコーター（Ｋ−ハンドコーター、エリクセン社）を用いて取り除き、約２５０μｍの薄い裏地層を作製した。このサンプルを真空オーブン内において９０℃で１時間加熱し、モールドから外した（図７）。５２μｍの直径、４８μｍの間隔、および３８μｍの高さのマイクロパターンが得られた（図８）。シルガード（登録商標）１８４プレポリマーをガラスプレート上に注ぎ、フィルムアプリケーター（マルチケーター４１１、エリクセン社）を用いて約２０μｍの厚さの薄膜を作製した。この薄いポリマーフィルムは９０℃で３分予備硬化した。
【００９７】
図８は、膜７上に形成されたＰＤＳＭパターンの３Ｄ走査像とディメンジョンを示す。図８ａは、５２μｍの直径、４８μｍの間隔、および３８μｍの高さを有する円柱状のＰＤＭＳパターンの３Ｄ像（Ｉ）とプロファイル（ＩＩ）を示す。図８ｂは、６９μｍの直径、３１μｍの間隔、および４２μｍの高さを有するマッシュルーム形状のＰＤＭＳパターンの３Ｄ像（Ｉ）とプロファイル（ＩＩ）を示す。なお、マッシュルーム形状パターンのピラーの軸は、オーバーハングした先端を有するため、測定できなかった。
【００９８】
図９は、ＦＡＭ７上のマッシュルーム形状のエラストマーマイクロファイバーアレイ８のＳＥＭ像を示す。先端が図９ａに示され、図９ｂは、直径が６９μｍ、間隔が３１μｍ、高さが４２μｍのマッシュルーム形状のマイクロファイバーアレイ８の側面図を示す。図９ｃは、約２５０μｍの厚さを有する薄い裏地層によって支持されたＦＡＭ７の側面図を示す。
【００９９】
図１０は、剛直性接着システムを製造する従来技術の方法である。この目的のため、既に議論したように、ＦＡＭ７を用いることができる。剛直なチャンバーはＣＡＤソフトウェア（ソリッドワークス）を用いて設計し、ベロクリア（商標）を剛直な材料として用いて３Ｄプリンター（オブジェット２６０コネックス、ストラタシス社）によって作製した。印刷された剛直なチャンバーは、支持材料を除去するために１モルのＮａＯＨ溶液で徹底的に洗浄した。チャンバーをプライマー（１２００ＯＳプライマー、ダウコーニング社）にインキングし、室温で３０分間の乾燥ステップによってチャンバーの表面の表面改質を行った。表面改質は、チャンバーとＦＡＭ間の強固な結合を確保するために重要である。
【０１００】
シリコン接着剤（シルーポキシー（登録商標）、スムースーオン社）をガラスプレート上に注ぎ、フィルムアプリケーター（マルチケーター４１１、エリクセン社）によって約５０μｍの厚さの薄膜を作製した。チャンバーを薄いシルーポキシー（登録商標）のフィルムにインキングし、ＦＡＭ上に置いた。室温で３０分硬化した後、ＦＡＭを剛直なチャンバーに強固に結合した（図１０）。
【０１０１】
図１１は、柔軟性接着システム１０を作製する実験手順を示す。概要図は、ＦＡＭ７を備える柔軟性システム１０を得るための作製プロセスの個々のステップを示す。
【０１０２】
前のステップで作製した円柱状のファイバー８を予備硬化された薄いＰＤＳＭフィルム５０上に手作業で配置することでＰＤＭＳインク５０でファイバー８の先端を覆い、パーフルオロ化されたシリコンウエハ５２上に載置した。ポリマーフィルムの予備硬化は、その粘度を増大し、最適なマッシュルーム形状の先端８´を作り出すためにポリマー材料をファイバーへ搬送する精度を高めるために必要である。９０℃で１時間硬化した後、印刷されたパターンを注意深く剥離し、μｍの先端直径、μｍの間隔、およびμｍの高さのマッシュルーム形状のマイクロファイバーを有するＦＡＭ７を得た（図８と９）。
【０１０３】
筐体５を製造するため、エコフレックス（登録商標）００−３０（スムース−オン社）で作製されたネガモールド６６は、チャンバー１８として形作られた３Ｄ印刷された複合体モデルを複製することで得られる。複合体モデル６０はＣＡＤソフトウェアで設計し、ベロクリア（商標）を剛直な材料として、タンゴブラック（商標）を柔軟な材料として用い、３Ｄプリンター（オブジェット２６０  コネックス、ストラタシス社）で作製した。剛直な軸が安定性をモデルに付与し、柔軟な構造体が剥離を容易にする。
【０１０４】
印刷されたチャンバーモデル６０は、支持材料を取り除くために１モルのＮａＯＨ溶液で徹底的に洗浄した。チャンバーモデル６０を両面テープを用いて小型プラスチックシャーレ内に固定した。エコフレックス（登録商標）００−３０プレポリマーと架橋体を１：１の比で混合し、脱ガスし、シャーレ内にキャストし、室温で６時間硬化した（図１１）。エラストマー６４が硬化した後、柔軟なチャンバー５の複合モデル６０を注意深くモールドから取り外した。
【０１０５】
作製された柔軟なチャンバー５のネガモールド６６を１００Ｗで２時間酸素プラズマ中で処理し、ヘキサデカフルオロー１，１，２，２−テトラヒドロオクチルトリクロロシランを用いて１時間真空下で表面改質を行い、９０℃で３０分硬化した。モールド６６のパーフルオロコーティングは、引き続く複製プロセスにおいてキャストする材料の接着性を低下させるために重要である。
【０１０６】
モールド６６は、チャンバー５の柔軟なネガ、および内部に形成されるキャビティー１８を備えるチャンバー５内にエアーチャネル１を作り出すためのスペーサに用いられる薄い金属のバーという、二つの成分からなる（図１１）。エコフレックス（登録商標）００−５０（スムース−オン社）パーツＡとＢを１：１の比で混合し、脱ガスし、シリンジを用いてネガモールド６６内に注入した。室温で６時間硬化した後、柔軟なチャンバー５を注意深くモールド６６から取り出した。
【０１０７】
ビニルシロキサン前駆体６８（フレキシタイム（登録商標）ミディアムフロー、ヘレウスクルツァー社製）をガラスプレート７０上に塗布し、約５０μｍの厚さの薄膜７４をフィルムアプリケーター７２（マルチケーター４１１、エリクセン社）を用いて作製した。柔軟な筐体５の周辺９を手作業でＶＳポリマーフィルム７４に浸し、ＦＡＭ７上に載置した。筐体５の周辺９において室温で５分間硬化することで、ビニルシロキサン６８が柔軟なチャンバー５とＦＡＭ７の間に強固な結合層２を与える。
【０１０８】
図１２は、接着システムを評価するためにカスタマイズされた実験装置１００を示す。カスタマイズされた接着測定装置１００は、接触界面を可視化し、記録するため、ビデオカメラ（グラスホッパー（登録商標）３、ポイントグレイリサーチ社）を備える倒立光学顕微鏡１０２（アクシオオブザーバーＡ１、ツァイス社）上に搭載した。
【０１０９】
接着システム１０と基材１２間の反力は、高分解荷重セル１０４（ＧＳＯ−２５、ＧＳＯ−５００、ＧＳＯ−１Ｋ、トランスデューサテクニックス（登録商標））によって測定した。荷重セル１０４を、５ｎｍの分解能と最大加速度１０ｍｍ・ｓ-1のコンピュータ制御された高精度ピエゾ動作ステージ１０６（ＬＰＳ−６５−２“、フィジックインストゥルメント社）上にｚ方向に取り付けた。ｙ方向については、１μｍの分解能と５０ｍｍ・ｓ-1までの高い最大加速度の長距離モーターステージ１０８（Ｍ−６０５  ２ＤＤ、フィジックインストゥルメント社）を採用した。
【０１１０】
基材を顕微鏡の焦点範囲内でサンプルホルダー１１０上に固定し、ピエゾステージ１１２（ＬＰＳ−６５−２“、フィジックインストゥルメント社）によってｘ方向に移動させた。また、ｘとｙ方向の精密な位置をマニュアルｘｙステージ１１２（ＮＦＰ−２４６２ＣＣ、測位技術、マイヤーリン博士）で決定した。角度のずれは、基材に応じて二つのゴニオメータ１１３（Ｍ−ＧＯＮ６５−Ｕ、ニューポート社）で調節した。精度±０．３５％のシリンジポンプ１１４（レガート（商標）２１０Ｐ、ＫＤサイエンティフィック社）を接着システム内部の圧力制御のために採用した。
【０１１１】
ピエゾステージ１０６、１０８、１１０の動きとデータ取得は、リナックス（登録商標）（ウブントゥ（商標）、カノニカル社）内でカスタマイズされたコードによって行った。このプログラムにより自動化されたデータ取得が可能となり、ユーザは加速度、予荷重、ｘとｚ方向における置換、接触時間を制御することができる。ロードセル１０４をシグナルコンディショナー（ＢＮＣ−２１１０、ナショナルインストゥルメンツ社）を介してコンピュータ（両者ともに示されない）に接続し、力の信号はデータ取得ボード（ＰＣｌｅ−６２５９、ナショナルインストゥルメンツ社）を通じで電圧として取り出した。ピエゾステージの動きの制御は、モーターコントローラ（ネクザクト（登録商標）Ｅ−８６１、フィジックインストゥルメント社）を介して行った。
【０１１２】
膨大な計算を行い、種々の異なる圧力（ΔＰ0）下でＦＡＭを平坦な基材から引き上げる際のＦＡＭ内の垂直応力（σ22）を得た。ＦＡＭは、図３ａで詳述したディメンジョンと境界条件を有する圧縮できないフック固体として簡素化される。２Ｄにおける非対称システムをモデル化し、平面ひずみ条件を仮定することで、分析はさらに簡素化される。
【０１１３】
弾性変形は、変位場ｕ＝ｕ1（Ｘ1，Ｘ2）Ｅ1＋ｕ2（Ｘ1，Ｘ2）Ｅ2によって表され、ここで直角座標Ｘ1とＸ2、およびユークリッド基底Ｅ1とＥ2は水平方向と鉛直方向にそれぞれ対応する。フックの法則により、Ｅ1−Ｅ2平面における歪は、成分（１）を有する。
【数４】
0006901095.tif 000006
【数５】
0006901095.tif 000007
および
【数６】
0006901095.tif 000008
［１］
【０１１４】
静的平衡において、テンソルひずみσはバランス則∇・σ＝０を満たす必要があり、ここで∇はラグランジアンナブラ演算子である。２Ｄ平面−ひずみ弾性では、発散が０のひずみとは、ナビエ−ラメ方程式の以下の形式を意味する：
【数７】
0006901095.tif 000009
および
【数８】
0006901095.tif 000010
［２］
【０１１５】
0006901095.tif 000011
【０１１６】
剛直性システム上の球状に湾曲した基材と接するＦＡＭを図１３に示す。圧力差の存在下における球状基材上の膜接着の力学を考慮するため、付加的な境界条件と式が採用される。システムの垂直位置（ｚ0）と接触半径（ｒi）の初期境界条件は、湾曲した表面に対するＦＡＭの大きさによって異なる（図１４）。球状表面が接着膜よりも大きい場合（ｒb≧Ｒ0；図１３ｂ）、以下のようにＦＡＭは引っ張られる前に完全接触する：
【数９】
0006901095.tif 000012
および
【数１０】
0006901095.tif 000013
［３］
【０１１７】
位置ｚは原点に対して定義され、接着システムの初期の垂直位置（ｚ0）と引き込み距離（ｚr）によって正または負となり得ることに注目すべきである。製造における不完全性とずれに起因し、剛直性システム上のＦＡＭは平坦な基材上であっても完全接触ができない場合がある（図１３）。我々は、ＦＡＭのエッジから約７００μｍは平均的に接触できないことを実験から見積もり、これによって７．３ｍｍの最大有効接触半径（ｒe）が得られた。
【０１１８】
球状表面が最大有効接触半径よりも小さい場合（ｒb＜ｒe；図１３）、ＦＡＭは球状基材の中心へ降ろされると仮定する。ＦＡＭは基材の周りを包み、以下のような初期の位置と接触半径のコンフォーマル接触を行う。
【数１１】
0006901095.tif 000014
および
【数１２】
0006901095.tif 000015
［４］
【０１１９】
予荷重プロセス中に引張ひずみによってＦＡＭが破壊される可能性があるため、実験においてはＦＡＭは完全にはボールの中心には降ろすことができなかった。その代わり、接触の際、予荷重が０．５から１．０Ｎの範囲の規定値に達するまでシステムを降ろす。球状基材の半径がＦＡＭの大きさと有効最大接触半径の間である場合（ｒe≦ｒb＜Ｒ0）、初期境界条件は以下の通りとなる：
【数１３】
0006901095.tif 000016
および
【数１４】
0006901095.tif 000017
［５］
【０１２０】
引っ張る間、ＦＡＭは接着に起因して伸張し、チャンバー内の体積が変化する（図１３ｅ）。接触中にＭＡＦによって覆われた球状表面の体積（Ｖc）を差し引いた、先端部が切断された円錐変形形状の体積（Ｖt）は、剛直性接着システムの初期体積（Ｖ0）に加え、ＦＡＭによって包み込まれた全体積（Ｖ）を以下のように増大させる：
【数１５】
0006901095.tif 000018
［６］
【０１２１】
初期体積（Ｖ0）はチャンバー、チューブ、およびシリンジポンプ内の総体積であり、約７．２ｍＬである。先端部が切断された円錐内の体積とＦＡＭによって覆われた球状のキャップ内の体積は、それぞれ
【数１６】
0006901095.tif 000019
および
【数１７】
0006901095.tif 000020
［７］
であり、ここで
【数１８】
0006901095.tif 000021
はシステムと球状表面の先端との間の垂直距離である。
【０１２２】
ＦＡＭの全ポテンシャルエネルギー（Π）は、分離した領域の参照体積における弾性エネルギー、接触中の膜の接着エネルギー、および圧力によってなされた仕事の総和として計算することができ、以下のようにモデル化することができる：
【数１９】
0006901095.tif 000022
［８］
【０１２３】
ここで、ｈ0はＦＡＭの自然厚であり、ωadは接着有効仕事である。接着有効仕事は、二つの接触界面を分離するために要求される全エネルギーであり、界面剥離に対する抵抗を見積もるために用いられる。ＦＡＭはネオ−フック固体としてモデル化できると仮定すると、ひずみエネルギー密度関数Ｗ0は、以下のように記述される：
【数２０】
0006901095.tif 000023
［９］
【０１２４】
空気圧によってなされた仕事（Ｕp）は、以下の通りである。
【数２１】
0006901095.tif 000024
［１０］
【０１２５】
システムの垂直変位（ｚ*）についてのある値における限界接触半径（ｒc）は、以下の静的平衡の式の解として計算することができる。
【数２２】
0006901095.tif 000025
［１１］
【０１２６】
0006901095.tif 000026
【数２３】
0006901095.tif 000027
［１２］
【０１２７】
図１３は、異なる境界条件での剛直性接着システムの分析モデルの概要図を示す。図１３ａは、球状基材よりも大きな剛直性接着システムが接触中の概要図を示す。図１３ｂは、直径が球状基材のそれよりも小さい剛直性接着システムの接触の概要図を示す。図１３ｃは、負の圧力差（ΔＰ）の下、平坦なガラス基材から離れつつある剛直性接着システムの概要図を示す。矢印は接着システムの表面に作用する圧力差によって生じる力を表し、この力はＦＡＭを剛直なチャンバー内へ引き込み、膜の剥離を生じさせることができる。図１３ｄは、平坦なガラス基材と接する剛直性接着システム上のＦＡＭ７の倒立光学顕微鏡像であり、接触界面を可視化している。暗い領域は接触中のＦＡＭのマイクロファイバーを表す。スケールバーは５００μｍである。図１３ｅは、初期体積（Ｖ0）、およびＦＡＭが先端部が切断された円錐形状へ変形することで作り出される付加的な体積（Ｖt）の総和からＦＡＭによって覆われた球状基材の体積（Ｖc）を引いたものとしての全体積（Ｖ）の概要図を示す。ｈは球状キャップ（Ｖc）の高さである。
【０１２８】
図１４ａは、有効接触半径（ｒe）に応じた、引き込み距離（ｚr）に対する平坦なガラス表面上における反力（Ｆr）プロファイルの計算結果を示す。ここで、有効接触半径における相違は、初期の接触面積の相違として表される。図１４ｂは、ｒe＝８．０ｍｍの場合における、引き込みが開始されたときの反力プロファイルの拡大図を示す。ｒe＝Ｒ０の場合、引き込みの開始において、数値の不安定性が観察される。垂直変位（ｚ）と接触半径（ｒ）に対する全ポテンシャルエネルギー（Π）の第１導関数は、前進（ｒe＝Ｒ0）、中心（０＜ｒe＜Ｒ0）、および後進差分近似（ｒe＝０）を用いて数字的に求められる。ここで、垂直変位と接触半径は、それぞれ２０，００１と５０，０００１の要素に離散化される。
【０１２９】
図１５は、剛直性接着システムのＦＡＭの接着有効仕事（ωad）と接着応力（σad）の評価結果を示す。図１５ａは、界面の顕微鏡像（ＩＩ）に対応する柔軟性システムのＦＡＭの反力（Ｆr）プロファイル（Ｉ）を示す。図１５ｂは、界面の顕微鏡像（ＩＩ）に対応する剛直性システムのＦＡＭの反力（Ｆr）プロファイル（Ｉ）を示す。１：予荷重を与えている時、２：引き込みの時、３：引き抜きが働いている時、４：分離した時。スケールバーは１ｍｍに対応する。
【０１３０】
図１６は、柔軟性接着システム１０のＦＡＭ上の単一のマイクロファイバーの接着ひずみ（σad）の評価結果を示す。図１６ａは、各サンプルにおける三つのマイクロファイバーの接触領域を共焦点レーザ顕微鏡を用いて可視化した結果を示す。スケールバーは１００μｍに相当する。図１６ｂは、各サンプルの三つのマイクロファイバーの反力（Ｆr）プロファイルを示す。
【０１３１】
図１７と１８はそれぞれ、剛直性接着システムと柔軟性接着システムの接着に関する多くの評価結果に関する詳細な情報をそれぞれ含む表１と表２を示す。前述のように、接着システム内の空気圧は、チャンバーに接続されるシリンジの体積変化によって調節される。最大引き抜き力（Ｆoff｜max）は、異なる初期圧力でのある形状上における最大値であり、最小引き抜き力（Ｆoff｜min）は、測定値の中で最小の引き抜き力である。柔軟性システムの接触面積（Ａc）は、透明のチャンバーを介して上側から視覚的に評価される。非平坦な形状上の剛直性システムの接触面積は、上側や側面から視覚化することができなかった。したがって、６０ｍｍのｄbのガラス球と平坦なガラスなどの大きな物体上での接触領域は有効接触半径ｒｅ＝７．３ｍｍで１．７ｃｍ2の完全接触を有すると仮定する。我々が試験したＦＡＭの接着ひずみ（σad）は、ＰＤＭＳで作製されたファイバーとガラス基材の間の界面上でのみ有効であるため、柔軟性システムのゴム膜上での接着効率（εad）は入手できない。
【０１３２】
ＦＡＭの接着有効仕事（ωad）とその接着ひずみ（σad）を見積もる実験的方法は、ジョンソン、ケンダル、およびロバーツ（ＪＫＲ）の理論に基づく幾つかの過去の研究によって標準化されている。剛直性システムと柔軟性システムの両者におけるＦＡＭ上のマイクロファイバーアレイの垂直変位（ｚ）に対する反力（Ｆr）のプロファイルを図１５に示す。柔軟なＰＤＭＳ裏地の測定中における変形を排除するため、ＦＡＭは平坦なガラス基材上に配置し、固定した。４ｍｍ半径（Ｒ）の球状ガラス圧子を１００μｍ・ｓ-1の接近速度で降下させてＦＡＭに接触させる。ｚの原点はＦＡＭの表面上に設定し、正のｚによって圧縮が生じ、負のｚによって引張が生じる。球状圧子をＦＡＭに降ろし、１００ｍＮの予荷重（Ｆpre）を印加する。ここで、反力プロファイルの僅かな減少を生じさせるエラストマーマイクロファイバーの予期できない粘弾性挙動を最小化するため、我々は３０秒の緩和時間をおいた。圧子は、実験的な測定での速度と同一の５０μｍ・ｓ-1の引き込み速度で引き上げる。マイクロファイバーアレイの引き抜き力の測定は、ＦＡＭ上の五つの異なる位置、上、中心、下、左、および右の位置で行った。ＦＡＭ上のマイクロファイバーアレイの接着仕事は、ＪＫＲ理論に基づく接着仕事と引き抜き力の間の以下の関係によって評価することができる。
【数２４】
0006901095.tif 000028
［１３］
【０１３３】
五つの測定のうち、接触の形状が最も丸い三つを、式１３における計算のための投影接触面積の評価において選択される。これらの測定の接触面積は、一般的なイメージ加工ソフトウェア（イメージＪ、ＮＩＨイメージ社）を用い、表面から引き上げられるファイバーアレーの要請に応じてスチールイメージから見積もられる。引き抜き力の測定のまとめを、見積もられた接着仕事と接着応力とともに、表３と４を表す図１９と２０に示す。
【０１３４】
単一のファイバーの接着応力（σad|sf）の見積もりとマイクロファイバーアレイの小さな面積（σad|3f）は、ＦＡＭの実験手順に従う。三つのサンプル（ＳＰＬ）は、柔軟性システムのＦＡＭの異なる領域から取得される。各サンプルは三つのマイクロファイバーを有しており、図１６ｂに示すように、接着力を測定するために平坦なガラススライドに付着される。４ｍｍ半径のガラス圧子は、三つのマイクロファイバーが同時に完全接触し、分離するために十分に大きい。三つのマイクロファイバーの引き抜き力（Ｆoff）をファイバーの数で割り、単一のファイバーの引き抜き力（σad|sf）として見積もられる。各サンプルは、１ｍＮの予荷重（Ｆre）で５回測定を行う。
【０１３５】
図１６ａに示すように、各サンプル上の三つのマイクロファイバーの現実の接触面積（Ａrc）は、３Ｄ共焦点レーザ顕微鏡を用いて測定され、単一のファイバーの現実の接触面積（Ａrc|sf）は、ファイバーの数で測定面積を割ることで見積もられる。三つのマイクロファイバーの投影接触面積（Ａpc）を一般的なイメージ加工ソフトウェア（イメージＪ、ＮＩＨイメージ社）を用いて見積もり、これには、現実の接触面積（Ａrc）に加え、マイクロファイバーの間隔が含まれる。単一のファイバー、および三つのマイクロファイバーの接着ひずみは、見積もられた接触エリアで各接着力を割ることで計算される。上記測定のまとめを表５に示す（図２１）。
【図１】
0006901095.tif 000029
【図２ａ】
0006901095.tif 000030
【図２ｂ】
0006901095.tif 000031
【図２ｃ】
0006901095.tif 000032
【図３】
0006901095.tif 000033
【図４ａ】
0006901095.tif 000034
【図４ｂ】
0006901095.tif 000035
【図４ｃ】
0006901095.tif 000036
【図４ｄ】
0006901095.tif 000037
【図４ｅ】
0006901095.tif 000038
【図４ｆ】
0006901095.tif 000039
【図５ａ】
0006901095.tif 000040
【図５ｂ】
0006901095.tif 000041
【図５ｃ】
0006901095.tif 000042
【図５ｄ】
0006901095.tif 000043
【図５ｅ】
0006901095.tif 000044
【図５ｆ】
0006901095.tif 000045
【図５ｇ】
0006901095.tif 000046
【図６】
0006901095.tif 000047
【図７】
0006901095.tif 000048
【図８ａ】
0006901095.tif 000049
【図８ｂ】
0006901095.tif 000050
【図９】
0006901095.tif 000051
【図１０】
0006901095.tif 000052
【図１１】
0006901095.tif 000053
【図１２】
0006901095.tif 000054
【図１３】
0006901095.tif 000055
【図１４】
0006901095.tif 000056
【図１５】
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【図１６】
0006901095.tif 000058
【図１７】
0006901095.tif 000059
【図１８】
0006901095.tif 000060
【図１９】
0006901095.tif 000061
【図２０】
0006901095.tif 000062
【図２１】
0006901095.tif 000063