Development of microstructures for application on a controllable bioinspired adhesive mechanism for gripping system in pick-n-place task

Abstract

A natureza oferece uma variedade de ideias para uma adesão transitória e reversível a diferentes substratos. Até agora, os soft dry adhesives (SDAs) bioinspirados mais estudados são superfícies com matrizes de micropilares. A inspiração veio de espécies terrestres, como as osgas, cujas almofadas dos pés são cobertas por intrincadas fibrilhas que permitem uma forte adesão (que se deve a forças intermoleculares) bem como uma fácil libertação. Um dos objetivos atuais dos esforços da investigação é transferir a solução da natureza para estruturas artificiais que possam um dia encontrar aplicações tecnológicas. Este trabalho visa replicar os comportamentos de agarra e libertação das osgas, utilizando como base as suas estruturas fibrilares pegajosas. Para este objetivo, serão utilizadas várias técnicas de fabrico e ensaios experimentais para determinar o melhor protocolo para a criação de microestruturas. Foram estudados micropilares cilíndricos lisos e micropilares com forma de cogumelo, tendo sido escolhidos estes últimos dado que aderem melhor aos substratos lisos em comparação com pilares cilíndricos. O presente trabalho começou por delinear o estado de arte, no qual se investiga o desenvolvimento de SDAs bioinspirados e as suas qualidades adesivas. Além disso, também foram abordados os fundamentos de adesão fibrilar. Prosseguiu-se para o desenvolvimento de amostras em polidimetilsiloxano (PDMS) com o objetivo de caracterizar este material num equipamento de ensaio universal (UTM). Neste trabalho foram examinadas várias técnicas de microfabricação. Tendo em consideração a dimensão das micropartículas utilizadas, foram produzidas microestruturas utilizando uma metodologia de baixo custo. Foram utilizados e testados vários tipos de métodos para fabricar os moldes, ou seja, para produzir pilares cilíndricos lisos foi utilizada fresagem e para produzir micropilares em forma de cogumelo foi utilizada impressão 3D. Devido à sua forma, os micropilares em forma de cogumelo requerem uma dupla moldagem, com um molde intermediário constituído por um material altamente flexível. Finalmente, com o auxílio do UTM para realizar testes de aderência, foi avaliada a eficiência das microestruturas.

Nature offers a variety of ideas for transient and reversible adhesion to different substrates. Geckos and insects use hairy structures whose adhesion is due to intermolecular forces. So far, the most widely studied SDAs are surfaces with arrays of micropillars. The inspiration came from terrestrial species including lizards and geckos whose toe pads are covered by intricate fibrils that enable strong attachment as well as easy release. The current goal of research and development efforts is to transfer nature's solution into artificial structures that might someday be applied in different technologies. Hence, this work aims to replicate the grasping and releasing behaviors of geckos using their fibrillar sticky structures as a basis. In order to achieve this goal, different kinds of designs, fabrications, and testing will be used to determine the best protocol for creating microstructures. Smooth cylindrical and mushroom-shaped micropillars were studied. The latter were chosen because they adhere to smooth substrates better than cylindrical micropillars. This work began by outlining the state of the art on the development of soft dry adhesives (SDAs) with natural inspiration and an examination of their dry adhesive properties. Additionally, the fundamentals of fibrillar adhesion were also covered. The work then proceeded to the development of polydimethylsiloxane (PDMS) specimens with the goal of characterizing this material in a universal testing machine (UTM). A number of microfabrication techniques were examined. Based on the size of the employed microparticles, microstructures were produced applying a low-cost method. Different methods were employed depending on the shape of the molds, i. e., to produce cylindrical flat pillars, it was used a CNC milling machine whereas to produce mushroom shaped micropillars, it was used 3D printing. Due to their design, the micropillars with the mushroom shape required double molding with an intermediary mold made of a highly flexible material. Finally, using the UTM to perform adhesion tests, the efficiency of the microstructure was evaluated.