如果你打开智能手机，会看到一排排电子芯片和元件整齐地排列在电路板上，宛如一座微型城市。每个元件内部可能还包含更小的“芯粒”，有些宽度还不及一根头发丝。这些元件通常由机器人夹爪组装，夹爪被设计用于拾取元件并将其精确放置到指定位置。
然而，随着电路板上的元件越来越小，机器人夹爪操控这些物体的能力正接近极限。
“电子制造需要处理和组装尺寸与面粉颗粒相近或更小的微型元件，”前麻省理工学院博士后研究员、研究科学家金三河（Sanha Kim）说道。他曾在机械工程副教授约翰·哈特（John Hart）的实验室工作。“因此，需要一种专门的拾取和放置解决方案，而不是简单地将[现有的]机器人夹爪和真空系统微型化。”
如今，金三河、哈特及其同事研制出一种微型“电黏附”印章，能够拾取并放置尺寸小至20纳米宽的物体，这一尺寸大约比人类头发细1000倍。该印章由一片稀疏排列的陶瓷包覆碳纳米管构成，这些碳纳米管如同微型刷子上的刷毛一般排列。
当对印章施加微小电压时，碳纳米管会暂时带电，形成电吸引力的微小“刺”，从而能够吸附微小颗粒。关闭电压后，印章的“黏性”随之消失，使其能够将物体释放到预定位置。
哈特表示，这种印章技术可以放大到制造场景中，用于打印微米级和纳米级特征，例如在越来越小的计算机芯片上集成更多元件。该技术还可用于图案化其他微小而精细的结构，例如人工组织的细胞。此外，研究团队还设想了宏观尺度、仿生的电黏附表面，例如可通过施加电压激活的垫片，用于抓取日常物品，或用于类壁虎攀爬机器人。
“只需控制电压，你就能将表面从基本没有黏附力，切换为对单位面积产生如此强大拉力的状态，以至于它的作用在某种程度上类似于壁虎的脚，”哈特说。
该团队今天已在期刊《Science Advances》上发表了研究成果。
类似于干式透明胶带
现有的机械夹爪无法拾取小于约50至100微米的物体，主要原因是在更小尺度下，表面力往往会压过重力。在用勺子倒面粉时，你可能会观察到这一现象：不可避免地，一些微小颗粒会黏附在勺子表面，而不是被重力带走。
“当尝试精确放置更小的物体时，表面力压倒重力的现象就会成为问题，而精确放置正是电子元件集成为系统的基础工艺，”哈特说。
他和同事指出，电黏附是通过施加电压使材料相互黏附的过程，已在部分工业场景中用于拾取和放置大型物体，例如织物、纺织品以及整片硅晶圆。但是，由于需要一种新的材料设计来在更小尺度上控制电黏附，这种技术此前从未被应用于微观尺度的物体。
哈特团队此前曾研究过碳纳米管（CNT），即以晶格形式排列并卷曲成微观管状的碳原子。碳纳米管以其卓越的机械、电学和化学性能而闻名，并已被广泛研究作为干式黏合剂。
“此前关于碳纳米管干式黏合剂的研究，主要致力于最大化纳米管的接触面积，本质上是制造一种干式透明胶带，”哈特说。“我们采取了相反的思路，提出‘让我们设计一种纳米管表面，使其接触面积最小化，但在需要时利用静电来开启黏附力。’”
一个可控的黏性开关
研究团队发现，如果在碳纳米管上包覆一层薄的介电材料（例如氧化铝），当对纳米管施加电压时，陶瓷层会发生极化，即其正负电荷会被暂时分离。例如，纳米管尖端的正电荷会在附近任何导电材料（例如微观电子元件）中诱导出相反的极化。
因此，基于纳米管的印章会吸附该元件，像微小的静电手指一样将其拾起。当研究人员关闭电压时，纳米管和元件会去极化，“黏性”随之消失，使印章能够脱离并将物体放置到指定表面上。
研究团队探索了多种印章设计方案，包括改变印章上生长的碳纳米管密度，以及用于包覆每根纳米管的陶瓷层厚度。他们发现，陶瓷层越薄、碳纳米管排列越稀疏，印章的开关比就越大，即通电时印章的黏性相较断电时越强。
在实验中，研究团队使用该印章拾取并放置纳米线薄膜，每根纳米线的直径约比人类头发细1000倍。他们还利用该技术拾取并放置了精细的聚合物和金属微粒图案，以及微型LED。
哈特表示，这种电黏附打印技术可以放大规模，用于制造电路板和微型电子芯片系统，也可用于制造具有微米级LED像素的显示器。
“随着半导体器件能力的不断提升，一项重要的需求和机遇在于集成更小、更多样化的元件，例如微处理器、传感器和光学器件，”哈特说。“这些元件通常需要分别制造，但必须集成在一起才能构建下一代电子系统。我们的技术有望弥合实现这些系统可规模化、低成本组装所需的差距。”
本研究部分得到了丰田研究所（Toyota Research Institute）、美国国家科学基金会（National Science Foundation）以及麻省理工学院—斯科尔科沃下一代项目（MIT-Skoltech Next Generation Program）的支持。
