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航院郑泉水院士团队设计全自动结构超滑材料转移测试系统

近日,清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心郑泉水院士研究组在结构超滑技术相关研究领域取得重要进展,该研究设计了全自动的结构超滑材料转移测试系统,通过结合人工智能算法、精确位移平台和力传感器,实现了结构超滑材料的自动转移技术,以及石墨-三维材料异质结的摩擦性能测试。基于该系统,该研究展示了结构超滑材料精确转移和组装的应用结果。研究将加速大尺度结构超滑的应用和结构超滑器件的研发。

自动化系统的设计原理、功能和照片。(a)自动化系统核心组件的设计原理图,包括XYZ长程位移平台、XYZ精密位移平台、光学显微镜等。除手动显微镜轴外,所有组件均由软件控制。(b)微米级石墨片的转移过程示意图。首先,通过手动操作找到目标位置。然后,将光学显微镜对准石墨片,系统会自动寻找尖端并记录目标石墨片。然后,位移台和探针将石墨片推起并拾取。同时,系统会判断石墨片是否为具有自回复性质以及操作是否成功。最后,石墨片将被转移到目标位置。(c)整体系统的照片。(d)核心部件的特写。(e)力传感器和钨针尖

结构超滑(Structural Superlubricity)指的是两个完全接触的固体表面在滑动过程中,保持零磨损的状态,为解决机械系统中摩擦磨损的损耗挑战提供了一种颠覆性的解决方案。2012年郑泉水院士团队第一次在大气环境中以每秒量级的速度实现了微米尺度结构超滑,开创了结构超滑技术。随后,团队对高速结构超滑(达到293m/s)的探索进一步激发了学术研究领域和实际应用领域的广泛兴趣。这些应用包括基于结构超滑技术的超级微发电机和电致弹簧谐振器,展示了结构超滑技术的多种潜力。在深圳市政府和深圳市坪山区政府资助下,郑泉水院士团队领导建立了全球第一个结构超滑技术研究机构——深圳清华大学研究院超滑技术研究所。

为了满足大尺度结构超滑和结构超滑器件的研发、应用需求,需要将大量的结构超滑材料进行精确组装。这一过程中,传统的材料转移方法往往需要人工操作,不仅效率低下,而且难以保证转移的精确度。正是基于这一挑战,郑泉水院士研究组结合了人工智能算法、精确位移平台、探针机械手和力传感器,成功设计出了全自动的结构超滑材料转移测试系统。该系统能够以15倍人工转移的速度完成大量的材料的筛选、转移、测试,大大推进了结构超滑材料组装的研究进展。同时该系统实现了自动化石墨-Si3N4异质结的摩擦性能的批量测试,展示超滑材料边缘和面内的摩擦占比。该研究是实现大规模结构超滑应用的基础技术之一,同时有望应用于材料的基因工程或高通量实验等材料筛选测试任务。

近日,该研究以“结构超滑材料的全自动转移测量系统”(Fully automatic transfer and measurement system for structural superlubric materials)为题,在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)上,同时基于该系统获取了相关发明专利、软件著作权、实用新型专利以及外观设计专利。

来自清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心的清华大学力学系博士生陈立为该论文第一作者,清华大学机械工程系马明副教授和深圳清华大学研究院聂锦辉副研究员为该论文的共同通讯作者,论文合作者还包括林聪硕士、史迪威博士、博士生黄轩宇、郑泉水教授。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-023-41859-6

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