鄭泉水院士團隊 Nat. Commun.: 設計全自動結構超滑材料轉移測試系統(tǒng)
來源：清力技術 2023-10-16
近日，清華大學微納米力學與多學科交叉創(chuàng)新研究中心、深圳清華大學研究院超滑技術研究所鄭泉水院士研究組在結構超滑技術相關研究領域取得重要進展，該研究設計了全自動的結構超滑材料轉移測試系統(tǒng)，通過結合人工智能算法、精確位移平臺和力傳感器，實現了結構超滑材料的自動轉移技術，以及石墨-三維材料異質結的摩擦性能測試。基于該系統(tǒng)，該研究展示了結構超滑材料精確轉移和組裝的應用結果。研究將加速大尺度結構超滑的應用和結構超滑器件的研發(fā)。
自動化系統(tǒng)的設計原理、功能和照片。（a）自動化系統(tǒng)核心組件的設計原理圖，包括XYZ長程位移平臺、XYZ精密位移平臺、光學顯微鏡等。除手動顯微鏡軸外，所有組件均由軟件控制。（b）微米級石墨片的轉移過程示意圖。首先，通過手動操作找到目標位置。然后，將光學顯微鏡對準石墨片，系統(tǒng)會自動尋找尖端并記錄目標石墨片。然后，位移臺和探針將石墨片推起并拾取。同時，系統(tǒng)會判斷石墨片是否為具有自回復性質以及操作是否成功。最后，石墨片將被轉移到目標位置。（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
結構超滑（Structural Superlubricity）指的是兩個完全接觸的固體表面在滑動過程中，保持零磨損的狀態(tài)，為解決機械系統(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年鄭泉水院士團隊第一次在大氣環(huán)境中以每秒量級的速度實現了微米尺度結構超滑，開創(chuàng)了結構超滑技術。隨后，團隊對高速結構超滑（達到293m/s）的探索進一步激發(fā)了學術研究領域和實際應用領域的廣泛興趣。這些應用包括基于結構超滑技術的超級微發(fā)電機和電致彈簧諧振器，展示了結構超滑技術的多種潛力。在深圳市政府和深圳市坪山區(qū)政府資助下，鄭泉水院士團隊領導建立了全球第一個結構超滑技術研究機構——深圳清華大學研究院超滑技術研究所。
為了滿足大尺度結構超滑和結構超滑器件的研發(fā)、應用需求，需要將大量的結構超滑材料進行精確組裝。這一過程中，傳統(tǒng)的材料轉移方法往往需要人工操作，不僅效率低下，而且難以保證轉移的精確度。正是基于這一挑戰(zhàn)，鄭泉水院士研究組結合了人工智能算法、精確位移平臺、探針機械手和力傳感器，成功設計出了全自動的結構超滑材料轉移測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠以15倍人工轉移的速度完成大量的材料的篩選、轉移、測試，大大推進了結構超滑材料組裝的研究進展。同時該系統(tǒng)實現了自動化石墨-Si3N4異質結的摩擦性能的批量測試，展示超滑材料邊緣和面內的摩擦占比。該研究是實現大規(guī)模結構超滑應用的基礎技術之一，同時有望應用于材料的基因工程或高通量實驗等材料篩選測試任務。
近日，該研究以“結構超滑材料的全自動轉移測量系統(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，同時基于該系統(tǒng)獲取了相關發(fā)明專利、軟件著作權、實用新型專利以及外觀設計專利。
來自清華大學微納米力學與多學科交叉創(chuàng)新研究中心的清華大學力學系博士生陳立為該論文第一作者，清華大學機械工程系馬明副教授和深圳清華大學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
報道轉自清華新聞網
供稿：清華大學航天航空學院
編輯：李華山
審核：郭玲
