A bioinspired snap-through metastructure for manipulating micro-objects

Micro-objects stick tenaciously to each other—a well-known show-stopper in microtechnology and in handling micro-objects. Inspired by the trigger plant, we explore a mechanical metastructure for overcoming adhesion involving a snap-action mechanism. We analyze the nonlinear mechanical response of curved beam architectures clamped by a tunable spring, incorporating mono- and bistable states. As a result, reversible miniaturized snap-through devices are successfully realized by micron-scale direct printing, and successful pick-and-place handling of a micro-object is demonstrated. The technique is applicable to universal scenarios, including dry and wet environment, or smooth and rough counter surfaces. With an unprecedented switching ratio (between high and low adhesion) exceeding 104, this concept proposes an efficient paradigm for handling and placing superlight objects

Adhesion modulation In bio-inspired micropatterned adhesives by electrical fields

With steps towards Industry 4.0, it becomes imperative to the development of next-generation industrial assembly lines, to be able to modulate adhesion dynamically for handling complex and diverse substrates. The inspiration for the design and functionality of such adhesive pads comes from gecko’s remarkable ability to traverse rough and smooth topographies with great ease and agility. The emphasis in this thesis was to equip artificial micropatterned adhesives with such functionalities of tunability and devise an on-demand release mechanism. The project evaluates the potential of electric fields in this direction. The first part of this work focusses on integrating electric fields with polymeric micropatterns and studying the synergistic effect of Van der Waals and electrostatic forces. An in-house electroadhesion set up was built to measure the pull-off forces with and without electric fields. As a function of the applied voltage, adhesion forces can be tuned. The second part of the work demonstrates a novel route that exploits the in-plane actuation of the dielectric elastomeric actuators integrated with microstructure to induce peeling in them. Voltage-dependent actuation has been harnessed to generate the requisite peel force to detach the micropatterns. Overall, the findings of this thesis combine disciplines of electroadhesion, electroactuation, and reversible dry adhesives to gain dynamic control over adhesion.Im Einklang mit dem Fortschreiten in Richtung Industrie 4.0, wird es auch für die Entwicklung von industriellen Montagelinien der nächsten Generation unerlässlich sein, die Handhabung komplexer und unterschiedlicher Objekte zu flexibilisieren. Bioinspirierte Haftpads nach dem Vorbild des Gecko könnten zukünftig hierzu wesentlich beitragen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit bestand darin, künstliche mikrostrukturierte Haftpads mit einem elektrisch schaltbaren Adhäsions- und Ablösemechanismus zu funktionalisieren, um die Grundlage für einen schnell schaltbaren, intelligenten Greifer zu schaffen. Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Kombination elektrischer Felder mit elastomeren Mikrostrukturen und die Untersuchung der synergistischen Wirkung von Van der Waals- und elektrostatischen Kräften. Zur Messung der Adhäsion wurde ein individueller Aufbau realisiert und mit diesem die Feldstärkeabhängigkeit der Haftkräfte nachgewiesen. Der zweite Teil der Arbeit demonstriert einen neuartigen Ablösemechanismus unter Ausnutzung der lateralen Bewegung dielektrischer elastomerer Aktuatoren, um so ein Abschälen der Haftpads vom Substrat zu induzieren. Durch Variation der elektrischen Spannung wurde untersucht, wie sich diese auf die Ablösegeschwindigkeit der Haftpads auswirkt. Insgesamt kombinieren die Ergebnisse dieser Arbeit die Disziplinen Elektroadhäsion, Elektroaktuation und reversible trockene Klebstoffe, um so eine dynamische Kontrolle über die Adhäsion zu erhalten

Lokale und globale Ablösemechanismen in mikrostrukturierten Haftstrukturen

In dieser Arbeit wurden die Hafteigenschaften bio-inspirierter Mikrostrukturen untersucht. Es wurde ein Aufbau entwickelt, der eine Kombination aus Kraftmessungen und optischer in situ Beobachtung der realen Kontaktfläche mit Hilfe der frustrierten Totalreflexion ermöglicht. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Defekte an der Grenzfläche, Systemparameter (z. B. Maschinensteifigkeit, Fehlausrichtung) und äußere Einflüsse (z. B. Luftdruck) die Ablösemechanismen der Haftstrukturen verändern. Durch den maßgeblichen Einfluss von Defekten in der Kontaktfläche ergab sich eine breite Verteilung in der Haftfestigkeit der einzelnen Fibrillen im Array. Es konnte beobachtet werden, dass bereits bis zu 30 % der Fibrillen den Kontakt zum Substrat verloren, bevor die maximale Haftkraft erreicht wurde. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen, dass zur Optimierung der Adhäsionseigenschaften das Gesamtsystem betrachtet werden muss und nicht von Einzelfibrillen auf ein gesamtes Array geschlossen werden kann. Anhand von Weibullfunktionen lässt sich die Verteilung der Haftfestigkeiten und daraus die Qualität von Arrays beschreiben. Diese Verteilung konnte mit Hilfe des korrelativen Ansatzes zum ersten Mal nachgewiesen und bestimmt werden. Die neu entwickelte Methode liefert somit einen geeigneten Zugang Haftstrukturarrays hinsichtlich ihrer Qualität zu quantifizieren und anwendungsrelevanter Einflussfaktoren zu testen.In this work, synthetic bio-inspired adhesive structures were investigated. For this purpose, a setup was developed that allows a combination of adhesion force measurements and optical in situ investigation of the real contact area with the help of frustrated total internal reflection and thus visualizes the underlying detachment mechanisms. The present work shows that defects at the interface, system parameters (e. g. machine stiffness, misalignment) and external influences (e. g. air pressure) play a decisive role and change the detachment mechanisms. The strong influence of defects resulted in a broad distribution in the adhesive strength of the individual fibrils in the array and thus a loss of approximately 30 % of the fibrils in contact before reaching the maximum adhesive force. This demonstrates that the overall system must be considered in order to optimize the adhesion properties and cannot be extrapolated from individual fibrils to an entire array. It is also known that the distribution of adhesive strength can be described with the help of a Weibull distribution according to the model of fracture mechanics. In this work this distribution could be measured for the first time using the correlative measurement method and is compared to the theoretical models. In general, this work offers a new method to investigate detachment mechanisms and to quantify the influence of external parameters on fibrillar arrays