Felsuma

(作者:王維漢老師 / 逢甲大學 纖維與複合材料學系)

  1. Felsuma

與前二公司不同,Felsuma的技術源自於麻州大學-Amherst分校的二位教授,分別是生物系的D.J. Irschick暨高分子工程系的A.J.Crosby。Felsuma公司名稱原意是日行守宮屬(Phelsum)。產品組合分成三部份,Griphook、Griphanger、Griploop。產品名稱是GECKSKIN®,如下圖九。

圖九、Felsuma公司的產品是GECKSKIN®

在Irschick-Crosby系統中f,為了模仿壁虎的剛毛-匙片(Setae-Spatulae- Lamella),在人工系統中加入筋和骨的角色Tandon(tether)&Skelten(bone),如圖十。圖十一是Irschick-Crosby系統的製造程序,涉及含浸彈性體於布表面。其中,彈性體的剛性是0.05~50MPa而彈性體的層厚是0.0001~0.1cm。這種作法在力學中,算是軟/硬複合材料的結合。材料力學中通常堅硬材擁有高荷重與接觸面積小的特性,而柔軟材則是擁有大形變與接觸面積大的特性。Gecko Tape要求是受力方向要高剛性暨垂直介面方向要低彎曲模數。

圖十、壁虎與仿生人工系統
圖十一、Irschick-Crosby系統的製造程序

界面黏著能力(Fc)影響參數有二,幾何形狀(Gc)與材料特性(Material property)。其中,C(Compliance)是指材料在受力下的彈性變形能力。Fc、Gc、C、三者之間的關係如下圖十二。A/C最適化狀況是,(1)材料夠軟,接觸面積最大、(2)材料夠硬,忍受高荷重。在Irschick-Crosby系統中,筋和骨的角色分別由Silicone或PU暨Kevlar或Nylon所扮演。

圖十二、界面黏著能力的相關影響參數
表二、傳統感壓膠與壁虎膠的性能比較

上表二,比較傳統感壓膠與壁虎膠。在傳統感壓膠中,主要調整高分子的黏彈性,對粗糙面適形並散失能量。其中,強感壓膠是指初黏能,介面分離的散失能量。但高初黏力不適用於多次荷重情況,這是由於非彈性所造成。相對的,壁虎膠帶是物理力形成,附著力大小取決於單位面積的剛毛密度。分離力低,取決於特定角度。

自然科學是研究人類與其他動物的相似處,而人類學則是研究二者的不同。仿生學搭起人類與自然之間的橋樑,壁虎膠帶在實務上扮演一實用而重要角色。如同在壁虎膠帶的商業化章節中所述,壁虎膠帶較傳統感壓膠帶應用範圍大,除了黏著膠之外,並跨入抓持材與固定材的領域。壁虎膠帶是乾式膠,軟/硬複合材料的結合。同時,壁虎膠帶具有自潔性樑,可以重複黏著使用。由於物理特性與傳統感壓膠大不同,我們期待壁虎膠帶在未來發光發熱。

【網路資源】

Felsume企業網站,https://www.buygeckskin.com/

壁虎膠帶的商業化

(作者:王維漢老師 / 逢甲大學 纖維與複合材料學系)

目前至少有三家商業化公司生產壁虎膠帶(Gecko tape),目前已商業化的三家公司,有二家與上述專利相關,源至於柏克萊加大。第一家是NANOGRIPTECH,來自於Carnegie Mellon U.的技術,使用微機電製程,目前工研院創投有投資。第二家是日東電工(Nitto Denko)派員到UC-Berkley學習,使用奈米碳管(CNT)做剛直物。第三家是Felsuma是U. Mass – Amherst技術,使用Kevlar布與silicone彈性體的結合,作法最簡單。基本上,這是力學中,軟/硬複合材料的結合。以下本文詳細介紹。

  1. NANOGRIPTEC

NANOGRIPTEC是M. Sitti教授的技術。他的專利C,是前述160專利的延伸,專利中有更詳盡的半導體製程描述。圖七左是乾式膠(dry adhesive)的示意結構,無數纖維連接於一基材上。圖七右是,每根纖維包含頂部(12),底部(14),徑部(16),其中頂部又包含平面(20),與氟化物層(22)。

圖七、乾式膠的示意結構

圖八是專利中半導體製程重點,主要說明橫向蝕刻產生匙突結構。在281專利中,Fig 3a描述蝕刻層(40),阻隔層(42),分別沉積於基材(44)上。Fig 3b描述遮蔽圖案(52),空孔(50),橫向蝕刻&空孔(54&56),最後移除(52)。Fig 3c描述填入材(70),Parlyene C,底材(32)。Fig 3d描述低表面能,疏水塗層(26),以避免鄰近纖維接觸。

圖八、微細纖維半導體製程

NANOGRIPTEC的產品名稱是Setex,又分為DA、XG、CF三個系列,分別用於重複黏 (Dry adhesive)、抓持材(Gripper)、固定材(Fastener)。

2.Nitto Denkoe

日東電工是老牌的感壓膠製造商。該公司將前野(Maeno)派往當時走在研究最前沿的美國加州大學柏克萊分校。前野在那裏學習了黏合理論,並且與大阪大學機械工學研究所教授中山喜萬等人合作,開發出了CNT像壁虎絨毛一樣排列的膠帶。他們發現,纖維之間因存在凡得瓦力而凝聚,無法實現黏合功能。壁虎腳尖的絨毛之所以光是頂端部生有細小的分支,就是為了防止凝聚。防止絨毛凝聚的方法大致有兩種。一種是仿造與壁虎一樣的層次分支構造。另一種是使用高剛性材料代替分支構造來防止凝聚,日東電工採用了構造簡單的後者。CNT的直徑極小,可實現較高的深寬比及高剛性,是一種非常適合第二種方法的材料。在經過微細加工的基板上控制CNT的生成條件,便可使其朝著一個方向生長。該公司將其嵌入熔融狀態的聚丙烯基板,形成了膠帶狀。2012年2月日東電工宣佈,從壁虎腳掌獲得啟發的「壁虎膠帶」已開始用於商業用途。但因這種膠帶使用CNT,所以存在價格高且很難大量供應的難點,目前只能作為分析試料的固定膠帶使用。 第三家是Felsuma公司,下期待續。

【館藏資源】

壁虎腳底的高科技:仿生學向大自然取經,設計未來

學蜘蛛人趴趴走 : 受大自然啟發的仿生科技

【網路資源】

Crazy Engineering: Gecko Gripper/NASA Jet Propulsion Laboratory (Youtube影片)

壁虎膠帶

(作者:王維漢老師 / 逢甲大學 纖維與複合材料學系)

與傳統感壓膠帶不同,壁虎膠帶是力學膠帶。細數當今的壁虎仿生(Biomimetic)權威,非柏克萊加大的Robert J. Full莫屬。他是整合生物系複足實驗室(POLY-PEDAL)的計畫主持人。他的研究方法是找出壁虎的動作機構原理,再加以人工複製。前者是昆蟲學研究,以K. Autumn為代表。後者是微機電加工製造(MEMS),以R.S. Fearing為代表。

三人研究壁虎在垂直表面的附著力,從電子顯微鏡上發現壁虎的腳上有多剛毛(Setae),每隻腳上有近50萬根。每根剛毛末端再分岔成100~1000根小剛毛。小剛毛末端伸展成平台狀,稱為匙突(Spatula),而這就是壁虎與表面的接觸點。圖三是透過電子顯微鏡將壁虎的剛毛結構由大至小分項而得。其中,小剛毛與匙突的尺寸大小分別是,10 nm與100 nm。

圖三、透過電子顯微鏡觀察,壁虎的剛毛結構由大至小的分項

與常見的結構膠與感壓膠帶屬於永久黏著的化學黏著屬性大不同,壁虎的剛毛與表面的接觸是一種物理力,稱為凡得瓦力(Van der Waals),這種作用力範圍不超過二奈米。當二個物體接近至奈米時,始能感受此吸引力。

當K. Autumn確認壁虎的附著力是純物理機構,R.S. Fearing則以半導體製程模擬製造壁虎的剛毛。三人的研究成果於2004年獲得專利b。此專利重點摘錄有四:(1)剛毛型態描述、(2)剛毛-匙突(Setae-Spatulae)如何運作、(3)如何用於實務(practice)、(4)微結構製造。他們使用一微型偵測器(MEMS sensor)測量剛毛的受力情況,其中包括垂直的預荷重(preload)與平行的脫離力(detach force)。圖四是壁虎的剛毛陣列示意圖。

圖四、壁虎的剛毛陣列示意

他們發現,剛毛的黏著力與下列因素有關:三維順向度(剛毛指向或遠離表面)與初始接觸的預荷重(剛毛指向或遠離表面)。其中(1)剛毛脫離表面平行力與初始接觸預荷重垂直力相依,(2)剛毛脫離表面平行力~10倍於初始接觸預荷重垂直力,(3)初始接觸預荷重:接觸表面的匙突數量,(4)剛毛脫離表面與特定角度(characteristic angle)相關,最佳脫離表面的特定角是,35度。(註2)、辦公文具使用的剪刀最易剪物的刀刃角度是30度。

圖五是剛毛-匙突脫離表面的運作情形,概分為四個步驟:(1)垂直預荷重、(2)剛毛開始拉伸平行力、(3)剛毛滑行(sliding)、(4)剛毛分離(pull off)。經過量測,單根剛毛平均最大黏著力~94 mN,10倍於預測值。一隻壁虎最大黏著力~100 N,10倍於預測值。

圖五、剛毛-匙突脫離表面的運作情形

剛毛的微結構製造主要涉及半導體製程的,氧化、黃光、蝕刻、等步驟。圖六中,Si3N4 (102),SiO2 (104) 分別沉積於基材(100)上,並經由黃光與蝕刻,產生軸狀(shaft)結構。由於Si3N4與SiO2二層的應力差,造成軸狀結構與基材平面彎曲(curl),軸狀終端並進一步粗化(roughen),形成類匙突結構。圖六是剛毛的微結構製造步驟。

圖六、剛毛的微結構製造

當然,在160專利中,剛毛的微結構製造不只是上述方式,為了具備法律上的周延性,專利實施例(embodiments)包含從壁虎身上取得剛毛(可再生),與不同的製造可能性。

另外,德國有學者研究發現,生物體型與剛毛的關係。生物體型越大,剛毛末梢的分岔就愈小。對大型動物而言,重量與體長立方相依,而足部面積與體長平方相依。這說明大型動物必須有足夠寬大的腿與腳以便支撐體重。對於黏附表面的小型動物而言,則必須增大附著力。剛毛愈多,附著力愈大,相較於蒼蠅,體重更大,剛毛密度要更大。

【網路資源】

感壓膠的源起

(作者:王維漢老師 / 逢甲大學 纖維與複合材料學系)

日常生活中我們常常看到感壓膠(Pressure Sensitive Adhesive,PSA)的應用,例如,辦公用便條紙、自黏標籤、OK蹦等。塑膠組裝(plastic assembly)的領域中,包含許多不同方法。對於複雜的射出件(molded parts),工程師會設計:壓配(press fit)、緊配(snap fit)、絞鏈(hinge)、射包(overmolding)、焊接(welding)、甚至固定器(fastener)等方式,將二個相同或不同的塑膠件加以組合。但對於平整的押出膜材,則需要使用各種膠材黏合。圖一是從感壓膠帶看塑膠組裝的分類,其中感壓膠帶是指塑膠基材。

圖一、從感壓膠帶看塑膠組裝的分類

膠材黏著分類一般可以分成三種:臨時黏著、重複黏著、永久黏著。常見的結構膠與感壓膠帶屬於永久黏著。二者的區別在於前者因交鏈而產生液-固相變化,而後者則是以高分子黏彈性配方來調整黏度。二者均是單次適用,需要潔淨表面。側鏈可結晶高分子所製造的熱脫膠,係利用物性-溫度的非線性特徵,而擁有重複黏著的能力。與前二者相同,均屬於化學黏著屬性。壁虎膠帶則是力學黏著,黏著原理主要是利用凡得瓦力(Van der Waals)。臨時黏著的應用以使用磁力的高樓玻璃清潔器暨利用真空吸力與大氣壓產生負壓差的壁虎遙控車為主。各個黏著分類的詳細內容、黏著屬性、原理、製造、缺點、示意圖,請詳見表一。

表一、黏著分類系統

傳統感壓膠帶

感壓膠的基本配方(formulation)包括:彈性體、增稠劑(tackifier)、抗氧化劑,暨其他依特殊應用所需的助劑(aids)。我們可以說感壓膠是黏著力經過調整的彈性體。因此感壓膠的主角是彈性體,也是按照彈性體的材質分類。早期的配方清一色是天然橡膠+增稠劑,但因為天然橡膠分子含有雙鍵,容易變黃及脆化,其他人造彈性體陸續開發出來,如壓克力、苯乙烯橡膠、PU膠。較特殊者尚有矽膠、丁二烯橡膠等。另一關鍵成分增稠劑是一種低分子量(300∼3,000之間),玻璃轉移溫度(Tg)範圍攝氏0∼160°C的物質。增稠劑與感壓膠密不可分,由於發現了增稠劑才使感壓膠成為可能。

3M的研究人員Carl A. Dahlquist在1969年提出一個經驗法則:感壓膠的G’須小於105 Pa才有足夠的初黏力(Tack)。經過50年的驗證,這規則已被普遍接受,稱為Dahlquist準則。除了Dahlquist準則外,玻璃轉變溫度也必須在適當範圍內。研究人員在1986年提出感壓膠窗口(Viscoelastic Window)概念作為感壓膠的必備條件,儲存模數(G’)必須滿足Dahlquist準則,且玻璃轉變溫度+50°C約等於使用溫度。若彈性體素材的性質並不在「窗口」內,就需添加增稠劑或可塑劑使進入「窗口」內,「窗口」概念已經被普遍當作調整感壓膠配方的基本依據。添加增稠劑與可塑劑都可以調整感壓膠的黏著性,但兩者的效果不同。增稠劑可提高Tg及降低G’,兩種效應同時發生,而可塑劑只會降低G’。圖二a是感壓膠窗口的G’-Tg概念,G’與Tg必須落在窗口內才具有感壓膠的物性。(註1)、感壓膠的基本原理是流變學(Rheology)中的高分子黏彈學(Polymer Viscoelasticity),於每學年的第二學期均有開課,大二的高分子加工(Polymer Processing)課程中有提到這理論。

圖二、感壓膠窗口的G’-Tg概念

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「蘇打綠」變成「蘇打臉很綠」?

 (作者:余賢東 老師/財經法律研究所)

「蘇打綠」樂團於107年年底與合作多年的音樂公司拆夥,108年11月中旬媒體報導遭原公司指控不得演唱含《小情歌》在內的207首詞曲,亦不得使用已被公司註冊成為商標的「蘇打綠」團名;團員們覺得難以理解,為什麼「蘇打綠」樂團不能使用「蘇打綠」的團名?如果真的不能繼續使用「蘇打綠」舊團名的話,乾脆就改新團名叫「蘇打臉很綠」?

問題的癥結點在於「蘇打綠」的團名究竟歸屬於誰?一開始應該屬於自創樂團的全體團員,但在加入合作多年的音樂公司後,公司為了維護團名的權益,就徵得全體團員的書面同意,於102年間由「林暐哲音樂社有限公司」以「蘇打綠Sodagreen」文字向經濟部智慧財產局申請商標註冊核准,並指定於「現場演奏、現場表演、藝人表演服務」等表演範圍,以杜絕他人盜用「蘇打綠」的團名;除此之外,公司也申請註冊於「化妝品、鞋油、線香、動物用潔毛劑、蠟燭、冷熱飲料店、美容、按摩、花藝設計」等可能會從事經營的產品,擴大對此團名的保護;此時,公司就合法地取得了團名的商標權利。

當原有的團員還留在公司的時候,雙方合作愉快並且相安無事;但是,當團員與公司拆夥之後,因為公司擁有團名商標的專用權利,除非取得公司的同意,否則恐有侵權違法的疑慮。原團員僅能表示他們原有的團名叫「蘇打綠」,再也不能用於未來招攬演出機會的廣告文宣;而原公司有權另組「蘇打綠」樂團,還可以賣「蘇打綠鞋油」、「蘇打綠動物用潔毛劑」,甚至開「蘇打綠冷熱飲料店」或是「蘇打綠按摩院」等等。

至於「蘇打臉很綠」能不能作為原團員的新團名?筆者想到了影射「涵碧樓」的「含屁樓」商標駁回案,可能還要再想想吧?

(如有本文相關的問題,請e-mail至ipotaichung@tipo.gov.tw或電04-22513761~3)