用于产生电粘附的微结构装置的制作方法

本公开涉及具有电气管理系统的微结构装置，该电气管理系统可以改变微结构装置的物理特性的状态。本公开还涉及微结构表面，该微结构表面通过改变所公开的微结构表面的表面能而通过电粘附和电润湿与目标表面相互作用。此外，本文公开了电粘附微结构表面，如可植入表面和通用抓握增强表面两者。


背景技术：

在现有技术中已知，表面可以通过施加的电场经历表面润湿特性的改变，这被称为电润湿。可以基于由施加的电场所产生的力来理解电润湿。通常地，电润湿用于疏水性表面。通常地，当放置在疏水性表面上时，水将近似于球体，这是因为水分子之间的吸引力抵消了倾向于使得水在表面上变平的重力。相反，非极性液体几乎没有自吸引力，并且因此非极性液体可能在重力作用下在疏水性表面上扩散。相比之下，当水被放置在亲水性表面上时，水通过自身吸引形成球体的趋势被水对亲水性表面的吸引力所抵消，因此重力占主导地位，并且水滴会扩散。当非极性液体放置在亲水性表面上时，人们可能会认为重力占主导地位，但在某些情况下，表面张力占主导地位，并且非极性液体将通常会在疏水性表面上形成球形结构。最近，已发现外生性电场可用于调节细胞功能，例如伤口愈合过程中的细胞迁移。利用静态或动态电场影响的治疗设备和伤口敷料不断增加，特别是在骨骼修复方面。这些设备使用大型电极和宏观均匀的电磁场。然而，本说明书中提供的公开内容涉及量级为100kv/m场的场强。如果将这样的场放置在宏观间隔的大型电极上，典型地该场强足以用于组织的大规模电穿孔和电融合。相反，因为如下文更详细描述的产生的场是微米级的，它们不会引起组织的电穿孔和电融合。因此，高场梯度并不等同于在微尺度上的高能量密度。进行电粘附实验的人理解的是，实际产生的力远低于理论计算的力。这种偏离理论的原因是没有任何真正的物质是完全均匀的电介质。当不均匀性是随机的时，这种不均匀性抑制了电粘附性。另一方面，分层结构的不均匀性可以将抓力提高到理论期望值之上。与微结构电荷定位相结合的微结构电介质可用于几何控制电粘附力。例如，同一设备既可以在活组织中定位设备，又可以指导细胞相对于设备的移动性。另一个从理论偏离的事实是电介质和目标对象之间的接触从来都不是完美的。如下所述，表面的微结构可以发挥重要作用。本公开的目的是描述分层微结构表面的使用，其可以通过局部电场力(高场梯度)和已知为wenzel-cassie界面的复合亲水性/疏水性域的形成而显著改善介电接触。应当了解的是，电粘附效应是两个表面分开时的总能量大于两个表面接触时的总能量的效应。相反，电排斥效应是两个表面分开时的总能量小于两个表面接触时的总能量的效应。虽然本说明书将使用词语“电粘附”来描述具有高剪切力和剥离力的粘附表面，但相反的情况也是可能的，即具有低剪切力和剥离力的表面。
由于微观表面纹理的分层布置(随机的和规则的)而产生的这些效应产生了空间共振效应，其加强和放大相对弱效应。特别是，空间共振可导致微结构表面和多种目标表面之间的界面中高度吸引和排斥的微观区域的互锁区域。吸引和排斥微观区域的这些互锁区域导致待被牢固地粘附到表面的工程化表面，而不会对目标表面造成摩擦或磨蚀损坏。这种类型的工程化表面在手术套件中具有特殊价值，其中组织的操作会导致摩擦或磨蚀组织损伤并导致手术后粘连。通常，这种摩擦性组织损伤是裸眼无法观察到的，并且经常被忽视。因此，本说明书的微结构化电粘附装置的许多有益方面以及应用尚未被了解或预期。


技术实现要素：

本技术在一个实施例中提供了一种电微结构装置，其可以包括微结构表面和至少一个电极。微结构装置可包括wenzel或cassie润湿状态中的至少一种，所述状态可通过对电极充电而改变，并且其中对电极充电可产生电粘附状态。在一个实施例中，电微结构装置可以包括至少一种电粘附状态，其可以导致对目标表面的粘附。在一个实施例中，电微结构装置可以包括至少一种电粘附状态，其可以引起wenzel-cassie润湿状态的变化。在一个实施例中，电微结构装置可以包括与wenzel-cassie状态相结合的电粘附状态，其可以将所述装置定位到目标表面。在一个实施例中，电微结构装置可以包括对至少一个电极进行充电，这可以导致装置表面的至少一部分从一种润湿状态转变为另一种润湿状态。在一个实施例中，电微结构装置可以包括对至少一个电极进行充电，这可以改变装置上的表面能梯度。在一个实施例中，电微结构装置可以包括与分层微结构相结合的至少一个电极的充电，这可以产生流体阀状态。在一个实施例中，电微结构装置可以包括至少一个电极的充电，这可以使电微结构装置从疏水性和亲水性表面中的至少一种转变为亲水性和疏水性表面中的至少一种。在一个实施例中，电微结构装置可以包括至少一个电极的充电，这可以产生包含结构化水的润湿状态。在一个实施例中，电微结构装置可以被配置为用作制动系统。在一个实施例中，电微结构装置可以被配置为用作流体/颗粒分离系统。在一个实施例中，电微结构装置可以配置微使得所述装置可以粘附到润湿的非导电表面。在一个实施例中，电微结构装置可以配置为使得所述装置可以粘附到润湿的导电表面。在一个实施例中，电微结构装置可以被配置成使得所述装置可以在亲水性状态和疏水性状态之间切换，所述疏水性状态为在所述装置通过润湿表面时水从所述润湿表面的一部分中去除。在一个实施例中，电微结构装置可以包括其上设置有分层微结构的基材。基材可
以包括这样的厚度，其中至少一个电极可以至少部分地嵌入到基材的厚度内。所述电极还可连接到电荷源，其中至少一个电极被配置为当由电荷源供电时提供局部电荷，并且对电极充电产生电粘附状态。在一个实施例中，电微结构装置可以被配置为使得至少一个电极的局部电荷产生微米级的电场。在一个实施例中，电微结构装置可以包括第一电极和第二电极。第一电极和第二电极均可以嵌入到基材的厚度内。第一电极可以被配置为产生正电荷，第二电极可以被配置为产生负电荷，并且第一电极和第二电极可以彼此相邻。在一个实施例中，电微结构装置可以包括为电介质的基材。在一个实施例中，电微结构装置可以配置为使得相邻的第一电极和第二电极之间的空间可以包括电绝缘体。在一个实施例中，电微结构装置可以包括多个电极，这些电极可以至少部分地嵌入到基材的厚度内并且可以布置成空间上的周期性图案。在一个实施例中，电微结构装置可以包括分层微结构，其可以利用复合柱。复合柱可以至少包括第一微特征和第二微特征，其中第二微特征可以设置在第一微特征周围。在一些实施例中，复合柱还可以包括设置在第二微特征周围的第三微特征、设置在第三微特征周围的第四微特征以及设置在第四微特征周围的第五微特征，依此类推。在一个实施例中，电微结构可以包括具有100微米或更小的高度和20微米或更小的直径的第一微特征。在一个实施例中，电微结构装置可以包括具有5微米或更小的高度和2微米或更小的直径的第二微特征。在一个实施例中，电微结构装置可以包括基材，该基材包括为疏水性的至少一部分。电微结构装置还可以包括电极，该电极可以布置有分层微结构以在电极被充电时将疏水性的基材部分改变为亲水性的部分。在一个实施例中，电微结构装置可以包括基材，该基材包括为亲水性的至少一部分。电微结构装置还可以包括电极，该电极布置有分层微结构以在电极充电时将亲水性的基材部分改变为疏水性的部分。在一个实施例中，电微结构装置可以包括布置在第一微特征内的电极的至少一部分。在一个实施例中，电微结构装置可以包括布置在第二微特征内的电极的至少一部分。在一个实施例中，电微结构装置可以包括具有一厚度的表面，并且包括设置在其上的分层微结构。分层微结构可以包括设置在其上的金属颗粒层。此外，该装置可以包括至少一个电极，该至少一个电极至少部分地嵌入到基材的厚度内并连接到电荷源，其中该至少一个电极被配置为当由该电荷源供电时提供局部电荷，并且其中对电极充电产生电粘附状态。在一个实施例中，电微结构装置可以被配置为使得分层微结构可以包括复合柱。复合柱可以至少包括第一微特征和第二微特征，第二微特征设置在第一微特征周围。在一个实施例中，电微结构装置可以包括直径在0.1到1.0微米之间的金属颗粒。
在一个实施例中，电微结构装置可以被配置为使得分层微结构包括两个不同的微结构区域，在第一区域中的金属颗粒包含锌，在第二区域中的金属颗粒包含银。在一个实施例中，电微结构装置可以被配置为使得分层微结构包括两个不同的微结构区域，在第一区域中的金属颗粒包含锌，在第二区域中的金属颗粒包含金。
附图说明
图1是电粘附装置的实施例。图2是电微结构装置的实施例。图3是电微结构装置的实施例。图4是具有细胞类型电选择的组织架的实施例。图5是利用可逆wenzel-cassie域的非接触式制动器的实施例。图6是使用结构化水阀和电荷排斥的血液过滤装置的实施例。图7是分层电微结构粘附装置的实施例。图8是电微结构装置上电极和表面微结构的4级分层布置的实施例。图9是超疏水性/超亲水性转化的电微结构装置的实施例。图10是螺旋场效应电微结构装置的实施例。图11是用于润湿导电表面的电粘附微结构装置的实施例。图12是用于非导电表面的电粘附微结构装置的实施例。
具体实施方式
根据本公开的设备和方法的示例性应用在本部分中进行描述。提供这些示例仅仅是为了添加背景并帮助理解本公开。因此对于本领域技术人员而言将显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践本公开。在其他情况下，没有详细描述众所周知的工艺步骤以避免不必要地混淆本公开。其他应用也是可能的，因此不应将以下示例视为限制性的。在下面的详细描述中，参考附图，这些附图形成描述的一部分并且在其中通过说明的方式示出本公开的具体实施例。尽管对这些实施例进行了足够详细的描述以使本领域的技术人员能够实践本发明，但是应当理解，这些实施例不是限制性的，因此可以使用其他实施例，并且可以在不背离本公开的精神和范围的情况下进行改变。如本文所用的术语，“电粘附”是指两个物体使用静电力的耦合。如本文所述的电粘附可以使用这些静电力的电控制来允许两个物体之间的临时的和可拆卸的附接。这种静电粘附通过库仑吸引力或通过增加装置表面和目标表面之间的wenzel-cassie域的形成而将这些物体的两个表面保持在一起。wenzel-cassie域的形成可以通过增加微结构表面的表面能来引发或增强。如本文所用，术语“分层微结构”在用于描述三维塑料幅材、突起矩阵、孔隙率和任何表面几何形状修改时，其已导致符合三维成形结构的表面，以使得其两个表面都呈现出所述形成结构的三维图案，当观察者的眼睛与微结构平面之间的垂直距离约为12英寸时，所述图案对于正常人眼来说不容易看到。应当理解的是，微结构可以定义为任何几何形状并且可以包括平坦的、圆形的、球形的、金字塔形的、柱形等的部分。微结构的单个微特征的
横截面可以是圆形的、正方形的、三角形的、圆形带凹槽的、矩形的或其他几何形状的，包括它们的组合。通常，如本文所用，术语“宏观的”用于指当观察者的眼睛与幅材平面之间的垂直距离为约12英寸时，正常人眼容易看到的结构特征或元件。本公开描述了具有微结构表面的装置，其中表面的一部分可以包括电荷的离散区域。在一些实施例中，可以利用电荷源和嵌入在表面中的离散电极来施加电荷。在一些实施例中，电荷也可以环境地产生。应当理解，在一个实施例中电荷的应用或发展可以由多个和/或不同的源产生。利用电粘附性的一个实施例在图1中示出。电粘附装置100可以包括电荷源102，该电荷源102可以连接到嵌入在介电基材106中的电极104。电荷源102可以用正电荷给电极108的一半充电，而用负电荷给电极110的另一半充电。当电源开启时，通电的电粘附装置100可吸引基材112。关闭电荷源102可导致基材112和介电基材106不再相互吸引。已知锌在置于潮湿环境中时会产生电势。参考图2，电微结构装置200可以包括平坦的聚合物基材202，其可以包括复合柱204。复合柱204可以由基柱206和顶柱208组成。基柱206可以在三角形阵列间隔开，间距208(中心到中心距离)为50微米。基柱206可以具有100微米的竖直高度210和20微米的直径212。基柱206的竖直表面可以包括三角形轮廓的翅片214，其宽度为5微米。顶柱208可以具有2微米的直径216和5微米的竖直高度218。顶柱208可以设置在底柱206的顶表面上，其布置在三角形阵列中，具有4微米的间距。在一些实施例中，基柱206可以是两种类型，描述为a型220和b型222。a型基柱220可以包括设置在顶表面上的顶柱208，并且进一步地，顶柱208的顶表面224可以包括锌颗粒沉积物(直径为0.1至1.0微米)。b型基柱222可以包括设置在顶表面上的顶柱208，并且进一步地，顶柱208的顶表面224可以包括银颗粒沉积物(直径为0.1至1.0微米)。可以使用可以包括聚合物基材202的溶液(例如乙醇和非交联聚氨基甲酸酯聚合物的溶液)来粘附金属颗粒。当装置200被植入体内时，锌可以产生-0.6v的电压并且银可以产生 0.2v的电压。a型柱220和b型柱222可以在每个柱之间间隔开约30微米，这由每个柱中心到中心测量的间距减去每个柱的直径确定(50微米间距-20微米直径)，这可产生26kv/m的场梯度。可以发现粘附力与场梯度的平方成正比。产生的电粘附力可能会受到电粘附表面与目标表面之间的接触面积的影响，也可能受到目标基材的极化特性或介电常数的影响。接触区域可以直接经受两个表面(电粘附表面和目标表面)的基材表面纹理。因此，在开发微结构表面时可能需要考虑基材表面纹理。消除由于表面纹理引起的可变性的一种方法可以是在多个尺度上构建电粘附外观，称为分层尺度。本公开的微结构电粘附表面可以粘附到导电表面和绝缘表面两者。在导电基材材料与绝缘基材材料上产生电粘附力的原理是不同的，这会在本文中进一步详述。导电表面上的电粘附可以基于如本文公开的静电感应，而绝缘表面上的电粘附可以主要归因于电极化。导电基材上的电粘附力的建模可以通过基于平行电容(即共面电容)的理论来近似。绝缘基材上的电粘附力的建模可以通过复杂的动态极化过程来建模。在图2中所示的实施例中，类型a的电极220和类型b的电极222可以被暴露。流体界面可以充当a型柱220和b型柱222的电极之间的介电层。在流体界面基本上导电的情况下，
电极可以涂覆有包括合适电介质的聚合物溶液。对于导电基材，如果覆盖电极的介电材料的体积电阻率大于约1014ωcm，则库仑力可能占主导地位。相比之下，如果体积电阻率在约1010和1012ωcm之间，则johnsen-rahbek力可能占主导地位。尽管可以快速(通常在1秒内)为导电基材获得饱和电粘附力，但在一些实施例中，需要动态静电吸引力产生过程。例如，在需要粘附的短期可逆性的实施例中，当通过调整电介质的孔隙率并因此延迟原电势的发展来减慢电极的原电势时可以获得可逆性。如图2中描绘的实施例，其中电极不是原电的，而是外部充电的，可以允许许多动态功能。本公开的电粘附装置可以在微观水平上使用目标表面和微结构电粘附表面之间的静电力。对于库仑型静电表面，由于电势差，可由介电极化产生静电力。基于电荷(或电极)配置，微结构电粘附表面可分为两种类型：单极(板-板-电容器)和双极(交错式电极)。这些基本电极配置可以设置在各种分层级别上。当电极被外部充电时，这些基本电极配置的复杂混合物可以进一步成为可能。现在参考图3，包括平坦聚合物基材302的外部充电的电微结构装置300可以包括复合柱304。复合柱可以由基柱306和顶柱308组成。基柱306可以在三角形阵列中间隔开，间距为50微米(中心到中心距离)。基柱306可以具有100微米的竖直高度并且可以具有20微米的直径。此外，基柱306可以包括具有5微米直径的三角形轮廓翅片314。顶柱308可以包括2微米的直径和5微米的竖直高度。顶柱308可以包括4微米的中心到中心的间距。在一些实施例中，顶柱308可以布置成三角形阵列。在一些实施例中，基柱306可以包括两种类型的柱320、322。基柱306可以包括a型柱320，其可以包括分层地设置在其上的顶柱308，并且顶柱308的顶表面324可以包括沉积在其上的金层。另外，顶柱308还可以包括导体326，导体326可以嵌入到基材中并且横穿到分层复合体中。基柱306还可以包括b型柱322，b型柱322可以包括分层地设置在其上的顶柱308，并且顶柱308的顶表面328可以包括沉积在其上的金层。另外，顶柱308还可以包括导体332，导体332可以嵌入基材中并且横穿到分层复合体中。在一个实施例中，平坦的聚合物基材302可以包括沉积的金圆形层334，其可以与导体336接触。在一些实施例中，金层可以被涂覆或保持暴露，或者可以包括一个被涂覆的区域和另一个被暴露的区域。在一些实施例中，电极配置可以通过使a型柱的金层和b型柱的金层以电势差充电来获得。在一个实施例中，导体326上的 0.5v和导体332上的-0.5v可以通过导体的电势差产生电荷。在另一个实施例中，导体336可以不同地自充电金层的导体被充电。当金层324和328形成场梯度时，电极配置可以是近似单极的。当金层324和328被不同充电时，电极配置可以是双极的。如本文所公开的电极几何形状和间距可以与微结构表面协同作用。在一些实施例中，微结构表面是分层堆叠的，这可以以单极配置在不同分层级别上提供分层电极的机会。在分层级别内，电极可以进一步以双极配置间隔开。对于外部提供的电荷，电微结构装置的不同区域可以是单极的，而其他区域可以是双极的。单极型微结构电粘附表面可以产生粘附力。在该实施例中，电极之一可以接触目标表面，其中第二电极通过介电层与目标表面绝缘。目标表面可以是导电的，使得在电极和导电目标表面之间形成电容器。
74.双极型微结构电粘附表面通常可以由两个充电区域的交错电极构成。在该实施例
中，电极可以通过介电层与目标表面绝缘。电极之间的空间可以填充有电绝缘体。对于微结构装置，可以形成wenzel-cassie界面，其中在电极之间截留气泡。气泡可以充当绝缘体。在一些实施例中，被截留的物质可以是油，被疏水性基质吸引。当油被截留在例如基柱之间时，它可以充当绝缘体和电介质。当在相邻电极上感应出交替的正负电荷并且装置被放置为与目标表面接触时，电场可以在目标表面上产生相反的电荷，因此可以在电极和目标表面上感应的电荷之间产生静电粘附。单极配置的一个重要区别是每个分层级别可能不是连续的。该配置是有利的，因为不连续性在板之间产生“孔”或间隙。这种配置基于现有技术可能是违反直觉的，因为电场可能在两个电极之间的电介质中而不是在装置所接触的目标表面上最高。间隙可以允许电场基本上“泄漏”到目标表面。这种“泄漏”可能会产生比传统双极设计更强的电场。这是因为分层设计可以使电极之间的间隙显著减小。间隙尺寸可能对每单位面积的粘附力有很大的影响。在这种配置中，更小的间隙是可能的，因为与标准双极设计相比，分层设计可以允许具有高电压击穿常数的电介质。关于电极之间的间隙尺寸的进一步考虑取决于间隙中的任何残留材料、外部颗粒和截留的空气。由于间隙对这些问题的敏感性，微结构表面的添加可能起重要作用。通过将微结构设计为具有表面能的特定并置，界面组成成分可以被吸引或排斥。通常，现有技术依赖于宏观的电极结构，通常大于几毫米。在这种宏观设计中，电粘附应力和能量可以通过经验方程来估计。然而，这些方程在微结构水平上并不成功。此外，缺乏理论模型来揭示粘附力和微观结构参数之间的关系，本文对此进行了公开。现有技术中使用的电粘附和电排斥装置没有最佳设计原则。静电悬浮问题已经取得了一些进展，但该模型适用于宏观电极。当涉及微观电极时，如果目标是创建一个循环电粘附和非电粘附的表面，必须特别注意相对于电极的几何参数优化充电速率。一个示例可能包括爬墙机器人的足部表面的开发。应当理解，以下示例可以采用四层和五层分层纹理，尽管实际上对于大多数应用任何数量的层(只要是分层的)都可能是足够的。关于导电目标表面上的电粘附，可能会发生静电感应现象，其中通过带电电极嵌入到包括微结构表面的绝缘体中而产生的外部静电场，可以在目标导体的一侧感应形成负电荷并且在目标导体的相对侧上感应形成正电荷。应当理解，“导电材料”通常可以指代由大量移动自由电荷载流子构成的材料。在一些实施例中，润湿组织可导致自由移动电荷载流子的浓度与分子数量的浓度在同一量级上。这些电荷可以快速且容易地重新布置。在电微结构表面/装置上施加高场梯度之后，可以在目标导电基材的表面上感应出相等且相反的电荷。然后可以形成装置和目标表面之间的电粘附力。在一些实施例中，电微结构装置可以是单极的、双极的和/或甚至三极的。在现有技术中，偶极设计通常是电粘附应用中最常用的设计。对于库仑型偶极电微结构装置，装置和目标基材之间的电粘附力可以源自具有串联电介质的几个理想电容器的一系列并联连接。可以特别注意有效产生电粘附力的特定参数，包括装置和目标基材之间的气隙、电介质厚度、电介质材料的电容、电介质和目标基材表面之间的界面电容。装置与目标基材之间以
及垫与基材之间的总电容可能取决于电极数量、有效电粘附面积、界面体积的介电常数和电介质的相对介电常数。电粘附力随总电容的平方而变化。当具有有限体积电阻率的不完美电介质(诸如半导体材料)与高电荷迁移率目标基材相互作用时，会出现johnsen-rahbek力。电流泄漏或电荷转移可能通过装置和目标基材之间的接触点发生。在一些实施例中，可通过非接触区域中的电荷积累而在界面处产生强静电吸引力。分层微结构表面的小间隙特征可能是造成这些强johnsen-rahbek粘附力的原因。johnsen-rahbek电微结构装置的粘附性可以取决于跨界面施加的电势差，而不是通过介电层施加的场梯度。johnsen-rahbek静电吸引力与装置和目标基材之间的介电材料无关。可以确定以在微结构装置中产生这些力的特定参数可以包括非接触区域的电容、跨界面的电势差和跨非接触区域的电势差。在一些实施例中，堆叠分层结构对于间隙放置和电极放置都是最佳的。通常，由于库仑电位引起的粘附可能比johnsen-rahbek力小得多，尤其是在界面间隙小于介电材料的厚度的实施例中。在用于循环粘附装置的实施例中，当使用库仑力时，分离时间可以快得多。此外，库仑配置中较少的电流泄漏可能会导致较低的功耗。在一些实施例中，电微结构装置可以涉及下述极化之和，包括电子极化、离子极化、取向极化、空间电荷极化、跳跃极化、界面极化、自发极化，以及其他类型的极化，诸如游牧极化。对于具有接触电微结构装置的实施例，取向极化和界面极化可以解释电粘附力的产生。电粘附现象在导电基材和绝缘基材上都可以是非接触式的。对于具有非接触式电微结构装置的实施例，原子和电极化可以说明电粘附力的产生。应当理解，在当前公开的装置中，电粘附可以随着时间而加强。粘附力的稳态值一般可能远大于初始值。达到稳态值的时间段可能取决于各种设计参数。在包括特定单极电极几何形状的实施例中，电极通常可以布置成空间周期性图案。通常，电极的长度可以远大于其宽度和/或厚度，并且电极面积可以远大于各个电极之间的面积。出于此原因，在一些实施例中，对称图案可能是优选的。本领域技术人员将意识到在本公开的各种实施例中包含分层结构。分析分层结构的电粘附装置的性能，可以将每个分层尺度视为附加层并执行计算，就好像该装置是具有有效介电常数的复合装置一样。有效介电常数可以通过平行混合规则来评估。计算表明，随着每个分层的层高增加，电粘附可能会降低。因此，在一些实施例中，分层的层高可以随着尺寸减小而减小，因此更多的层可以增加装置的电粘附特性。一些实施例可以将电粘附力与微结构表面的范德华力结合以产生强粘附力。尺寸小至微米甚至纳米级的微结构可以产生强粘附力。因此，最小的结构不仅可以减少装置和目标表面之间的间隙，而且可以绝对地增强吸引力。在一个实施例中，电粘附装置可能能够产生电粘附力和范德华力。可以使用的另一个参数是包含用于绝缘层或微结构基材的半导体材料，其可以在较低的电场水平下增强静电夹持力。这种增加的夹持力可归因于可能发生在金属电极和周围半导体材料之间的边界处的johnsen-rahbek效应。因此，当使用半导体绝缘体而不是完
全介电的绝缘体时，可以使用较低的电压和电流来实现相同的夹持力。虽然已知聚氨酯可良好地作为半导体材料工作，但也可以使用各种其他材料。这些其他半导体材料通常可以具有范围从约107到1013ωm的体电阻率，更优选的范围是约109到1012ωm。例如，各种聚氨酯、丁腈卤化或乳胶橡胶和某些有机硅可用作所公开的电粘附装置的一些实施例的合适绝缘材料。deerfield聚氨酯pt7811就是一种工作良好的材料。在一些实施例中，可以包括添加颗粒、掺杂物和/或溶液以增强其他绝缘聚合物的导电性。这些添加颗粒可包括但不限于碳、季盐和增塑剂，诸如酞酸二辛酯或邻苯二甲酸二异辛酯。在使用这种材料的一个实施例中，它可能能够实现高达约70psi的夹持力。在一个在电极上使用涂层而不是全绝缘层的实施例中，涂层可以是约10到30微米厚。在其他实施例中，使用半导体绝缘体可以允许使用厚度可高达100微米的绝缘层。在各种实施例中，绝缘材料可以包括弹性模量小于约1gpa的柔顺材料，这可以促进更好的夹持。除了在所公开的粘附装置的一些实施例中使用高电阻材料之外，具有不同特性的半导体材料在用作电极本身时也可以提供益处。在一个实施例中，可以至少在一个或多个电极的表面上使用各种聚氨酯或其他材料。对于具有高电阻电极的实施例，静电消散导电条材料可以具有范围从约0.1到1000mω/平方的表面电阻率，约1到50微米的厚度，相对便宜并且容易获得，并且在机械和电学上是鲁棒性的。更优选地，表面电阻率可以在1至100mω/平方的范围内。预期的是，一个实施例可以包括与相对软的聚氨酯混合的碳颗粒。此类聚氨酯可以喷涂、浸涂或以其他方式施加到合适的电极表面。电极材料的其他替代物可以利用纳米管，其可以在低得多的负载水平下导电。又一选项可包括具有薄涂层的石墨电极作为可例如通过喷涂施加的密封层。具有这种密封层的实施例可以包括非常低的炭黑负载，或者在一些实施例中根本没有。其他选项可能包括添加增塑剂或掺混在四氢呋喃中的柔性聚氨酯。邻苯二甲酸二异辛酯也可用作聚氨酯增塑剂。已发现工作良好的各种具体材料示例包括dupont 100xc10e7、scicron abf-300和tmf-300材料。以下是可以针对电微结构表面的设计的实施例。这些实施例并不意味着穷举，而是公开原理的示例以指导本专利的实践。示例1.具有细胞类型电选择的组织架生物材料广泛用于医学领域以维持、改善和/或恢复患病组织或器官。生物材料与主体组织的成功整合可能取决于基质表面特性，以及主体组织质量和周围环境。下面更全面地定义的实施例可以利用这些不同的因素来允许更好地结合主体组织和生物材料。参考图4，组织架400可以包括布置在聚合物基材404上的微结构柱402。微结构柱402可以布置成行。在一些实施例中，微结构柱402的行还可以包括设置在两个相对的微结构柱行之间的较小的柱406。两排相对的微结构柱402可以在两排之间包括约10微米的间距，408a。此外，同一行内的微结构柱402也可以间隔约10微米，408b。微结构柱402可以包括内部部分410，该内部部分410可以包括沿着微结构柱的中心线的电极412。一些电极412可以通过导体414、416电连接。导体414可以具有正电势，并且导体416可以具有负电势，从而可以在位于微结构柱402的两个相对行之间的区域418中产生场梯度。如由正方形420、422和424所示，微结构柱402的相对行可以定位成产生对称关系。在每个正方形内是y形配置426，其具有基部428、左分支430和右分支432。左分支和右分支可以连接到相邻的基部，如
以434所示，因此在聚合物基材404上产生重复图案。在一些实施例中，微结构柱404可以是约10微米高和约3微米的直径，具有圆形横截面。较小的柱406可以是约3微米高和约1微米的直径，具有圆形横截面。在一个实施例中，基材表面404的开口区域436可以填充有脊部438，并且其中脊部可以是约10微米高和约3微米厚的矩形横截面。在一些实施例中，可以使布置在组织架400的外围440周围的细胞沿着微结构柱402的相对行之间的通路411移动。在一些实施例中，y形配置426可以促进由内皮细胞形成血管。示例2.利用可逆wenzel-cassie域创建的非接触式制动器。参考图5，制动系统500可以包括制动元件502和旋转元件512。制动元件502可以包括这样的表面，其包括第一分层级别504、第二分层级别506和第三分层级别508。在一些实施例中，第一分层级别504可以具有正方形横截面。在一些实施例中，第二分层级别506可以具有圆形横截面。并且在一些实施例中，第三分层级别508可以具有圆形横截面。在一些实施例中，制动元件502可以包括两个或更多个轴承通道510。在一些实施例中，旋转元件512可以包括可以是平滑的表面。在其他实施例中，旋转元件512可以包括其上设置有微结构的表面。在一些实施例中，旋转元件512可以包括具有平滑部分和微结构化部分两者的表面。在一些实施例中，旋转元件可以包括至少两个轴承通道514。制动元件502的轴承通道510和旋转元件的轴承通道514可以对齐并产生空腔。在一些实施例中，空腔可包含至少一个滚珠轴承516。此外，空腔还可包含减小摩擦的组合物518，其涂覆和/或围绕至少一个滚珠轴承516。在一些实施例中，轴承通道510和514可以沿着制动元件502和旋转元件512的外围侧定位，从而产生内部腔室520。在一些实施例中，内部腔室520可以是密封的并且其中包含亲水性液体522和不溶性疏水性液体524。亲水性液体522和不溶性疏水性液体524的体积可以根据应用而变化。在一些实施例中，亲水性液体522的体积可能比不溶性疏水性液体524更多。在其他实施例中，不溶性疏水性液体524的体积可能比亲水性液体522更多。并且在一些实施例中，每种液体522、524的体积可以大致相同。应当理解，虽然本文使用术语“液体”，但该术语还包括半液体、凝胶、粘性组合物等。在一些实施例中，不溶性疏水性液体524的体积小于亲水性液体522的体积，使得当制动元件500运动时，疏水性液体可以形成小球532同时设置在亲水性液体中。旋转元件512的一些实施例可以包括这样的表面：所述表面包括第一分层级别526、第二分层级别528和第三分层级别530。第一分层级别526可以具有正方形横截面。第二分层级别528可以具有圆形横截面。第三分层级别也可以具有圆形横截面。在一些实施例中，组合的分层微结构526、528和530可以产生疏水性效果。类似地，在一些实施例中，制动元件502的组合分层微结构504、506、508也可以产生疏水性效果。作为实际的观点，可以使用制动系统500的一个实施例，使得制动元件502没有动力并且旋转元件512旋转并且运动。当这种状态发生时，可以使疏水性液体524的小球532与旋转元件512的微结构528、530和制动元件502的微结构506、508接触。在该实施例中，小球532它们本身可能充当微型滚珠轴承。亲水性液体522可以在微结构526和制动元件表面之间以及微结构504和旋转元件表面之间产生的空隙中流动或移动。在一些实施例中，第一分层级别504可以包含相邻微结构之间的交替电极534、
536。电极534可以带正电并且电极536可以带负电。为电极534和536供电可以使第二分层微结构506和第三分层微结构508从cassie状态转变为wenzel状态。当这种转变发生时，疏水性液体524可以从设置在制动元件502上的第二分层微结构506和第三分层微结构508迁移到旋转元件512上的第二分层微结构528和第三分层微结构530。疏水性液体的这种转变可以产生锁定wenzel-cassie状态538，这导致旋转元件512减少其旋转。示例3.一种使用结构化水阀和电荷排斥的血液过滤装置。红细胞表面上的唾液酸化糖蛋白可能是产生负ζ电势的原因。参考图6，血液过滤装置600可包括其上设置有复合柱的表面。复合柱可以分层布置并且包括第一柱602和第二柱604。第二柱604可以以分层方式布置在第一柱602的顶部。在一些实施例中，复合柱可以布置成行606。在一些实施例中，复合柱的行可以进一步布置成使得多行608彼此相邻并且相互平行，从而形成列。在一些实施例中，每个第一柱602可以包括与其相关联的电极610。在具有至少三个平行的行608的实施例中，行可以被电配置成使得两个相邻的列612可以具有相同的电荷，并且第三列614可以具有相反的电荷。例如，两个相邻的柱612可以带正电，而第三柱614可以带负电。由于这种配置，具有相反电荷的相邻柱612和614之间的空间产生结构水状态615，其中水的极性导致水分子对齐并且可以排除诸如红细胞616的微粒。具有这种或类似配置的实施例可产生阀状机构，其可排除微粒但允许水在通道618中流动。柱612、620的两个带正电荷的列可经历电势的正弦变化，其可导致红血细胞616被吸引然后沿着空间变化的表面能线在方向622上通过。在一些实施例中，入口624可以配置为允许全血在轻微压力下进入。通过入口624进入的全血然后可以沿着微结构柱的行和列行进。尽管图6示出垂直于重力取向的平面，但可以预期其他实施例可以包括可能是有利的不同配置。在一个实施例中，竖直布置平行的行和列可以产生烟囱效应。此外，将红细胞传导通道布置在与重力相反的方向上并且将滤液传导通道布置在重力方向上可能是有效的。在这种对立型配置中，可以想象烟囱排放配置，其中烟囱效应可以通过空间变化的梯度来实现，而排放效应可以通过重力来实现。在血液中的其他成分(诸如血小板)的过滤中，这种烟囱式排放装置可能会颠倒过来。示例4.分层电微结构粘附装置。现在参考图7，电微结构化粘附装置700被公开并且可以包括复合柱702。在一些实施例中，复合柱702可以是柔性的，并且在一些实施例中，复合柱可以是刚性的。在一些实施例中，复合柱702可以以规则图案或随机图案布置。在某些实施例中，可以优选复合柱702的随机图案以促进装置700粘附到不同微结构的表面。复合柱702可以具有任何横截面形状。在一些实施例中，横截面可以是圆形或椭圆形。在具有椭圆形横截面的实施例中，椭圆的长轴可以随机布置或以同心图案布置。在一些实施例中，复合柱702可以包括第一柱704，第二柱706堆叠在第一柱704上，第三柱708进一步堆叠在第二柱706上，因此结合了分层结构。第一柱704可以在等于它们的整个分层结构的总高度的长度上从中心彼此间隔开。在一些实施例中，第一柱704的高度可以在100到1000微米之间。第二柱706的高度可以在35和100微米之间。第三柱708的高度可以在1到35微米之间。在一些实施例中，第三柱708可以在柱708高度的长度的0.1到1.5倍之间的长度上从中心间隔开。
在一些实施例中，复合柱702可以设置在装置700的基材710上。基材710可以具有嵌入带正电的电极712和带负电的电极714的厚度。在一些实施例中，与每个带正电的电极712相邻的是带负电的电极714。在一些实施例中，装置700到目标表面的电粘附可以通过经由导线716、718对电极712，714充电来产生。示例5.电极和表面微结构在电微结构装置上的4级分层布置。现在参考图8，示出单个4级微结构800。在一些实施例中，微结构800可用于替代示例4中所公开的复合柱702。在一些实施例中，示例4的整体电极结构可与4层微结构800保持相同。在一个实施例中，第一微结构802可以是半球形的并且设置在装置的表面810周围。第二微结构804可以是圆柱形的并且设置在第一微结构802周围。第三微结构806可以是圆柱形的并且设置在第二微结构804周围。第四微结构808可以是圆形的纤维状构造并且设置在第三微结构806周围。电极812可以是半球形的，并且具有与第一微结构702相似的几何形状。电极812可以与引线816相关联并由其充电。示例6.一种超疏水性/超亲水性转化电微结构装置。现在参考图9，其示出了超疏水性/超亲水性转化电结构装置900。图9分为两部分，右侧902描绘了超疏水性状态，而左侧904描绘了超亲水性状态。电结构装置900可以包括基材层906。在基材层906周围可以设置第一柱908和第二柱910。第一柱908和第二柱910可以分层布置。在一些实施例中，第一柱908可以具有六边形的横截面。在一些实施例中，第二柱910可以具有圆形的横截面。在一些实施例中，基材层906可以包括设置电极914的厚度。在一些实施例中，第二电极912可以设置在第二柱910周围。此外，在一些实施例中，还可以包括最终疏水性涂层916。在一个实施例中，第二电极912可以设置在第二柱910的顶部周围。第二电极912可以被布置为覆盖第二柱910的整个上表面或者可以部分地覆盖上表面。在一个实施例中，电极可以具有与第一电极914相反的电荷。第一电极914可以设置在基材层906的厚度内并且通常可以位于第一柱908之间的区域中。当电极912、914具有相反的电荷时，则结构可具有超亲水性特性并实现wenzel润湿状态918。当电极912、914具有相同电荷时，结构可表现出超疏水性特性并实现cassie非润湿状态920。示例7.螺旋场效应电微结构装置。现在参考图10，示出了螺旋场效应电微结构装置1000。在一些实施例中，这种螺旋结构可用于快速反转装置的亲水性/疏水性状态。装置1000可以包括锥形柱1002，在所述柱1002的外壁上具有脊部1004。在一个实施例中，两个锥形柱1006、1008可以彼此相邻并且其中在它们之间产生沿向下方向1010的上升表面能。这种上升的表面能可以沿所述向下方向1010产生毛细力。在一些在实施例中，锥形柱1002可以具有内部，其中设置有电极1012。在一个实施例中，电极1012可以布置成螺旋配置。螺旋配置可以是均匀的，或者螺旋配置可以随着锥形柱1002的直径增加而向外逐渐变细。当电极1012未通电时，表面可以是wenzel润湿的。当电极1012通电时，在电极向外逐渐变细的实施例中，场强随着电极朝着锥形柱1002的峰部变得更紧密地缠绕而增加。当具有锥形电极1016、1018的两个相邻锥形柱1006、1008具有相反电荷时，则与不带电状态相比，表面能梯度可能会反转，从而导致cassie润湿状态。
示例8.用于湿导电表面的电粘附微结构装置。现在参考图11，示出了用于粘附到湿导电表面的电微结构装置1100。装置1100可以包括基材层1102、第一柱1104(其具有脊部1106)、第二柱1108、电极1110和导体1112。在一些实施例中，基材材料可以是亲水性的和自然润湿的。装置1100可以被配置为使得当装置接触湿导电表面时，水可以被快速芯吸走，如箭头1114所示。当水被快速芯吸走时，电极1110可以靠近导电表面1116，这可以极大地增强装置1100的电粘附性。示例9.用于非导电表面的电粘附微结构装置。现在参考图12，示出了用于粘附到湿润的非导电表面的电微结构装置1200。装置1200可以包括基材层1202、第一柱1204(具有脊部1206)、第二柱1208、电极1210、1212和导体1214、1216。在一些实施例中，基材材料可以是亲水性的和自然润湿的。装置1200可以被配置为使得当装置接触湿的非导电表面时，水可以被快速地芯吸走。当水被快速芯吸走时，电极1210可以以单极配置紧密靠近。因此，尽管已经描述了新颖且实用的微结构场效应装置的本公开的特定实施例，但不旨在将这些参考解释为除了在以下权利要求中阐述的对本公开的范围的限制。