【正文】 模擬結(jié)果與相應(yīng)經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)模型的結(jié)果進(jìn)行反復(fù)比較，以提取納米結(jié)構(gòu)適宜于采用連續(xù)介質(zhì)模型描述的特征，同時鑒別經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)模型在表征納米結(jié)構(gòu)行為方面的缺失。技術(shù)途徑分為三個步驟，即納米尺度的全原子模擬和連續(xù)特征提取，微米尺度的非經(jīng)典模型與參數(shù)識別，以及跨微納尺度的模型對接與統(tǒng)一。所以，應(yīng)該重點研究硅基微米結(jié)構(gòu)上的納米結(jié)構(gòu)按需制造方法，為研制微納光機電系統(tǒng)提供工藝基礎(chǔ)。這樣就可以運用自如地選擇合適的微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行模仿，在設(shè)計中抓住關(guān)鍵特征結(jié)構(gòu)和尺寸。仿生學(xué)正是為我們提供了這樣的新機遇。l 以沙蟻、蜣螂、響尾蛇為模仿對象，研制出硅基光導(dǎo)航微納器件樣機，實現(xiàn)日光、月光導(dǎo)航和紅外目標(biāo)探測功能，測角位置精度達(dá)到177。l 揭示多種動物特殊體表的微納結(jié)構(gòu)對粘附與脫附、減振降噪和光導(dǎo)航功能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)和篩選出4~6種高性能微納形態(tài)結(jié)構(gòu)，為降噪微納結(jié)構(gòu)、光導(dǎo)航微納器件、爬行機器人微納系統(tǒng)的仿生設(shè)計與制造提供生物學(xué)基礎(chǔ)。3項具有原創(chuàng)性的重要突破，使微納光機電系統(tǒng)研究進(jìn)入新的發(fā)展階段，在國際相關(guān)研究領(lǐng)域取得領(lǐng)先地位。最后，以降噪微納結(jié)構(gòu)膜片、光導(dǎo)航微納器件和爬行機器人微納系統(tǒng)為對象，從結(jié)構(gòu)、器件和系統(tǒng)三個層次建立微納光機電系統(tǒng)的仿生設(shè)計與制造方法，并為減振降噪、自主導(dǎo)航和救援偵察等應(yīng)用場合研制出新型微納光機電系統(tǒng)實驗樣機。微納光機電系統(tǒng)的仿生設(shè)計與制造方法設(shè)計方案預(yù)期目標(biāo)總體目標(biāo)本項目面向國民經(jīng)濟與國家安全領(lǐng)域?qū)Πl(fā)展微納光機電系統(tǒng)的重大需求，開展微納光機電系統(tǒng)設(shè)計理論與制造方法研究，并運用仿生學(xué)原理為發(fā)展新型微納光機電系統(tǒng)提供創(chuàng)新設(shè)計思路，以提升我國在微納光機電系統(tǒng)方面的原始創(chuàng)新能力。通過本項目研究還將帶動一批國家和省部級重點實驗室的建設(shè)，培養(yǎng)一批創(chuàng)新思維突出、專業(yè)能力堅實的優(yōu)秀中青年人才，有可能在國際上形成一支引領(lǐng)仿生微納光機電系統(tǒng)研究的創(chuàng)新團隊。五年發(fā)表高水平論文200篇，出版專著2部，申請發(fā)明專利30項。l 發(fā)展3~4種硅基微結(jié)構(gòu)上納米結(jié)構(gòu)制造工藝流程，在硅片上實現(xiàn)微納腔體結(jié)構(gòu)、納米光柵、微納分叉柔性陣列等微納功能結(jié)構(gòu)的按需制造，為微納光機電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)制作提供工藝基礎(chǔ)。研究方案學(xué)術(shù)思路 微納光機電系統(tǒng)并不是簡單地將普通的光機電系統(tǒng)縮小到微納米尺寸就能夠得到相應(yīng)的性能，這時由于微納尺度效應(yīng)使許多原來對普通光機電系統(tǒng)沒有太大影響的效應(yīng)被凸顯出來，甚至?xí)紦?jù)主導(dǎo)地位，完全改變原有的特性，也可能帶來特殊的新功能。運用仿生學(xué)原理，借鑒生物組織中的微納結(jié)構(gòu)和各種光機電效應(yīng)機理，以及生物在復(fù)雜環(huán)境中的感知、判斷、捕食、偽裝、規(guī)避和適應(yīng)能力，能夠為研制新型微納光機電系統(tǒng)提供源源不斷的創(chuàng)新思路。然而，僅僅有好的思路是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須有相應(yīng)的加工制作方法，否則就只能是“有想法，沒辦法”。有了創(chuàng)新的思路、好的設(shè)計方法和制造工藝，還應(yīng)該進(jìn)行實驗驗證和應(yīng)用。在納米尺度，首先基于量子力學(xué)第一性原理進(jìn)行少量原子的相互作用模擬，建立可靠的原子間相互作用勢函數(shù)。在微米尺度，根據(jù)納米尺度分子動力學(xué)模擬提供的信息，計入經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)模型丟失的納尺度特征，建立非經(jīng)典的連續(xù)介質(zhì)模型和相應(yīng)的有限元計算格式，識別模型變量和參數(shù)的物理意義。將該模型與相場動力學(xué)相結(jié)合，可以避免微納結(jié)構(gòu)演化過程中運動邊界的追蹤，因而也能夠有效地模擬微納結(jié)構(gòu)的形成與生長。硅基微納結(jié)構(gòu)制造：依據(jù)要求來設(shè)計具體的納米結(jié)構(gòu)，以通過“自上而下”手段獲得的花樣為生長模板，通過 “干的” 或“濕的” 等“自下而上”手段在模板中實現(xiàn)可控生長與組裝，并結(jié)合仿生構(gòu)筑技術(shù)，獲得所需的微納結(jié)構(gòu)器件。l 仿生降噪微納結(jié)構(gòu)研究以微型CT、環(huán)境掃描電鏡、光學(xué)三維測量顯微鏡等為主要工具，研究貓頭鷹皮膚、覆羽微結(jié)構(gòu)，探索細(xì)微空腔結(jié)構(gòu)特性和聲波產(chǎn)生與吸收的關(guān)聯(lián)，分析振動波在貓頭鷹體表的耗散情況，揭示其多機理耦合吸聲機制，在此基礎(chǔ)上建立柔順材料結(jié)構(gòu)的吸聲降噪模型，為仿生降噪微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供依據(jù)。在硅基上可采用MEMS技術(shù)形成所需形狀與尺寸的空腔，也可以集成必要的測控器件。根據(jù)微米技術(shù)和納米技術(shù)各自的特點，采用先微米、后納米的實驗方案，以硅材料為基礎(chǔ)并結(jié)合其他材料，通過微電子和MEMS等工藝制造硅基微米感知器件、控制電路、執(zhí)行結(jié)構(gòu)以及微米吸聲結(jié)構(gòu)和真空腔體，在此基礎(chǔ)上通過納米按需制造技術(shù)定向生長出柔性納米結(jié)構(gòu)，形成一體化的仿貓頭鷹皮膚結(jié)構(gòu)的硅基降噪微納結(jié)構(gòu)膜片，通過實驗的手段驗證其降噪特性，進(jìn)而完成結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造方法的優(yōu)化。針對應(yīng)用目標(biāo)所選定的沙蟻、蜣螂、響尾蛇開展仿生偏振光導(dǎo)航傳感器、仿生紅外成像陣列研究，綜合利用沙蟻和蜣螂的日光、月光偏振光導(dǎo)航機理，以及響尾蛇的紅外目標(biāo)探測機理，提出全天候光導(dǎo)航器件的設(shè)計方案。在本項研究中將以壁虎、昆蟲為仿生對象，研究微納尺度效應(yīng)和物理、化學(xué)、生物敏感機理，通過理論分析和實驗研究設(shè)計和制造能夠進(jìn)入窄小空間、任意方位爬行的救援偵察機器人系統(tǒng)實驗樣機。我們將模仿壁虎的粘附爬行機制、昆蟲足爪抓附與跳躍機制等動物感知、爬行、控制行為，建立爬行機器人微納系統(tǒng)仿生設(shè)計和制造的理論與方法，并研制出實驗樣機。借鑒生物偏振日光、偏振月光導(dǎo)航定位和紅外目標(biāo)探測機理，研制全天候光導(dǎo)航器件，發(fā)展高精度自主導(dǎo)航系統(tǒng)。這些方法為微納尺度效應(yīng)的認(rèn)識提供了有力的工具，借助于我們建立的實驗研究平臺和已有的大型計算能力，將使我們能夠?qū)Ψ律⒓{結(jié)構(gòu)的光機電特性進(jìn)行數(shù)學(xué)描述和實驗驗證。 本項目組在前期研究中，發(fā)現(xiàn)目前生物學(xué)界對感覺器官的研究重點在神經(jīng)處理機制方面，而對生物感覺器官微納結(jié)構(gòu)與光機電功能的關(guān)系研究比較薄弱。 （3）通過結(jié)構(gòu)仿生實現(xiàn)功能仿生，能夠攻克微納光機電系統(tǒng)的技術(shù)難關(guān)。然后，運用前面三個課題發(fā)展出來的設(shè)計依據(jù)、仿生思路和工藝基礎(chǔ)，從微納功能結(jié)構(gòu)、器件和系統(tǒng)三個層次進(jìn)行實驗驗證，因此設(shè)立了后面三個應(yīng)用目標(biāo)明確的課題：降噪微納結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計與制造；仿生光導(dǎo)航微納器件的設(shè)計與制造；爬行機器人微納系統(tǒng)的設(shè)計與制造。2）建立微納結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的跨尺度理論模型從第一性原理研究原子間相互作用規(guī)律，提出勢函數(shù)表達(dá)式；結(jié)合大規(guī)模分子動力學(xué)模擬，揭示不同納米結(jié)構(gòu)因空間尺寸束縛導(dǎo)致的尺度效應(yīng)；針對微、納不同尺度的變形特征發(fā)展微納結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的跨尺度模型，并通過與相關(guān)實驗及分子動力學(xué)模擬比較確定模型參數(shù)，實現(xiàn)從納米到微米尺度的跨越；與實驗結(jié)合，定量研究貓頭鷹體表和壁虎足掌微納結(jié)構(gòu)的減振降噪和粘結(jié)攀爬功能機理。經(jīng)費比例：15%承擔(dān)單位：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、大連理工大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：何陵輝學(xué)術(shù)骨干：、褚家如、倪勇、鄒赫麟、金仁成課題生物組織的微納結(jié)構(gòu)與仿生機理預(yù)期目標(biāo)：本課題擬對具有獨特攀爬、光導(dǎo)航及降噪與減振功能的多種生物（包括壁虎、貓頭鷹、甲蟲、蒼蠅、蟬類等）特殊體表的微納米結(jié)構(gòu)開展研究，對體表微米及納米級超微結(jié)構(gòu)的形貌進(jìn)行觀察、搜集、描記和分析，從功能形態(tài)學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)及物理化學(xué)的角度，探討體表微納米結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)成分對生物粘附與脫附、降噪與減振及光敏與導(dǎo)航功能的耦合關(guān)系，比較不同生物在各項功能上的特點、共性和不同之處，期望發(fā)現(xiàn)和篩選出4－6種具有高性能粘附、降噪、光敏功能的微納米形態(tài)結(jié)構(gòu)，為降噪微納結(jié)構(gòu)、光導(dǎo)航微納器件、爬行機器人微納系統(tǒng)的設(shè)計與制造提供仿生學(xué)基礎(chǔ)。3）生物視覺器官的微納結(jié)構(gòu)與仿生機理研究以沙蟻、蜣螂為對象，研究其復(fù)眼、小眼的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，重點是超微形態(tài)結(jié)構(gòu)和組織細(xì)胞學(xué)結(jié)構(gòu)，研究沙蟻利用大氣太陽光和蜣螂利用夜晚月光散射的偏振模式進(jìn)行導(dǎo)航和定位的機理，為滿足室外全天候、高精度的新的微型導(dǎo)航定位系統(tǒng)的設(shè)計與制造提高仿生學(xué)思路。經(jīng)費比例：20%承擔(dān)單位：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、中國科學(xué)院化學(xué)研究所課題負(fù)責(zé)人：葉長輝學(xué)術(shù)骨干：趙愛武、段國韜、倪林、舒春英課題降噪微納結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計與制造預(yù)期目標(biāo)：以貓頭鷹皮膚和羽毛的吸振降噪機理為模仿對象，探索硅基微納米降噪結(jié)構(gòu)的制造方法和仿生途徑，建立仿生微納米結(jié)構(gòu)的可控生長與自組裝方法和微納米尺度的操控手段，設(shè)計和制造出硅基微納米結(jié)構(gòu)吸振降噪膜片，為聲隱形和環(huán)境降噪提供新手段。在課題2對貓頭鷹覆羽結(jié)構(gòu)降噪機制研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計仿貓頭鷹絨毛的硅基納米結(jié)構(gòu)，并在課題3對微納結(jié)構(gòu)制作工藝研究成果的基礎(chǔ)上，在硅基微米結(jié)構(gòu)上加工出納米絨毛陣列，通過實驗的方法研究各種工藝條件下加工出的納米絨毛陣列的降噪性能，為設(shè)計高性能微納復(fù)合降噪結(jié)構(gòu)提供理論和技術(shù)支持。經(jīng)費比例：15%承擔(dān)單位：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、中國科學(xué)院電子學(xué)研究所課題負(fù)責(zé)人：孔德義學(xué)術(shù)骨干：趙湛、孫少明、高理升、方震課題仿生光導(dǎo)航微納器件的設(shè)計與制造預(yù)期目標(biāo)：以沙蟻、蜣螂、響尾蛇的視覺與控制器官為對象，探索微納結(jié)構(gòu)敏感效應(yīng)的基本規(guī)律和仿生設(shè)計途徑，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)仿真模型，借鑒沙蟻對偏光和響尾蛇對紅外熱像等微弱物理量的感知原理，在研究大面積微納光柵陣列和鏤空基底雙材料微梁陣列FPA制造工藝的基礎(chǔ)上，研制出硅基的偏振光導(dǎo)航微納傳感器與仿生非制冷紅外成像微納陣列，并集成為全天候光導(dǎo)航微納器件。2）微納敏感器件的仿生數(shù)學(xué)模型與仿真 4）光導(dǎo)航微納電器件的檢測標(biāo)定根據(jù)仿沙蟻偏振光導(dǎo)航器件、仿響尾蛇的非制冷紅外成