清華新聞網(wǎng)10月16日電 近日，清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心鄭泉水院士研究組在結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)相關(guān)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，該研究設(shè)計(jì)了全自動(dòng)的結(jié)構(gòu)超滑材料轉(zhuǎn)移測(cè)試系統(tǒng)，通過結(jié)合人工智能算法、精確位移平臺(tái)和力傳感器，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)超滑材料的自動(dòng)轉(zhuǎn)移技術(shù)，以及石墨-三維材料異質(zhì)結(jié)的摩擦性能測(cè)試。基于該系統(tǒng)，該研究展示了結(jié)構(gòu)超滑材料精確轉(zhuǎn)移和組裝的應(yīng)用結(jié)果。研究將加速大尺度結(jié)構(gòu)超滑的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)超滑器件的研發(fā)。
自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、功能和照片。（a）自動(dòng)化系統(tǒng)核心組件的設(shè)計(jì)原理圖，包括XYZ長(zhǎng)程位移平臺(tái)、XYZ精密位移平臺(tái)、光學(xué)顯微鏡等。除手動(dòng)顯微鏡軸外，所有組件均由軟件控制。（b）微米級(jí)石墨片的轉(zhuǎn)移過程示意圖。首先，通過手動(dòng)操作找到目標(biāo)位置。然后，將光學(xué)顯微鏡對(duì)準(zhǔn)石墨片，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)尋找尖端并記錄目標(biāo)石墨片。然后，位移臺(tái)和探針將石墨片推起并拾取。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)判斷石墨片是否為具有自回復(fù)性質(zhì)以及操作是否成功。最后，石墨片將被轉(zhuǎn)移到目標(biāo)位置。（c）整體系統(tǒng)的照片。（d）核心部件的特寫。（e）力傳感器和鎢針尖
結(jié)構(gòu)超滑（Structural Superlubricity）指的是兩個(gè)完全接觸的固體表面在滑動(dòng)過程中，保持零磨損的狀態(tài)，為解決機(jī)械系統(tǒng)中摩擦磨損的損耗挑戰(zhàn)提供了一種顛覆性的解決方案。2012年鄭泉水院士團(tuán)隊(duì)第一次在大氣環(huán)境中以每秒量級(jí)的速度實(shí)現(xiàn)了微米尺度結(jié)構(gòu)超滑，開創(chuàng)了結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)。隨后，團(tuán)隊(duì)對(duì)高速結(jié)構(gòu)超滑（達(dá)到293m/s）的探索進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域和實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛興趣。這些應(yīng)用包括基于結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)的超級(jí)微發(fā)電機(jī)和電致彈簧諧振器，展示了結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)的多種潛力。在深圳市政府和深圳市坪山區(qū)政府資助下，鄭泉水院士團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)建立了全球第一個(gè)結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)研究機(jī)構(gòu)——深圳清華大學(xué)研究院超滑技術(shù)研究所。
為了滿足大尺度結(jié)構(gòu)超滑和結(jié)構(gòu)超滑器件的研發(fā)、應(yīng)用需求，需要將大量的結(jié)構(gòu)超滑材料進(jìn)行精確組裝。這一過程中，傳統(tǒng)的材料轉(zhuǎn)移方法往往需要人工操作，不僅效率低下，而且難以保證轉(zhuǎn)移的精確度。正是基于這一挑戰(zhàn)，鄭泉水院士研究組結(jié)合了人工智能算法、精確位移平臺(tái)、探針機(jī)械手和力傳感器，成功設(shè)計(jì)出了全自動(dòng)的結(jié)構(gòu)超滑材料轉(zhuǎn)移測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠以15倍人工轉(zhuǎn)移的速度完成大量的材料的篩選、轉(zhuǎn)移、測(cè)試，大大推進(jìn)了結(jié)構(gòu)超滑材料組裝的研究進(jìn)展。同時(shí)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化石墨-Si3N4異質(zhì)結(jié)的摩擦性能的批量測(cè)試，展示超滑材料邊緣和面內(nèi)的摩擦占比。該研究是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模結(jié)構(gòu)超滑應(yīng)用的基礎(chǔ)技術(shù)之一，同時(shí)有望應(yīng)用于材料的基因工程或高通量實(shí)驗(yàn)等材料篩選測(cè)試任務(wù)。
近日，該研究以“結(jié)構(gòu)超滑材料的全自動(dòng)轉(zhuǎn)移測(cè)量系統(tǒng)”（Fully automatic transfer and measurement system for structural superlubric materials）為題，在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）上，同時(shí)基于該系統(tǒng)獲取了相關(guān)發(fā)明專利、軟件著作權(quán)、實(shí)用新型專利以及外觀設(shè)計(jì)專利。
來自清華大學(xué)微納米力學(xué)與多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究中心的清華大學(xué)力學(xué)系博士生陳立為該論文第一作者，清華大學(xué)機(jī)械工程系馬明副教授和深圳清華大學(xué)研究院聶錦輝副研究員為該論文的共同通訊作者，論文合作者還包括林聰碩士、史迪威博士、博士生黃軒宇、鄭泉水教授。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41859-6
供稿：航院
題圖設(shè)計(jì)：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
