中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院吳晅課題組：微米級3D打印助力仿爬巖魚吸盤制備

來源：PuSL摩方高精密

自然界中有許多水生生物具有令人驚嘆的吸附能力，例如，章魚可以利用手臂上的吸盤在海中爬行并捕捉獵物，鮣魚可以使用背上的粘性圓盤附著在鯊魚身上 “搭便車”，爬巖魚將它們的整個身體用作吸附系統(tǒng)抵御湍流的沖擊。這些生物大多具有基于負壓效應(yīng)的吸盤黏附系統(tǒng)，盡管生物吸附器官的種類和形式不同，但學者們在生物黏附器官表面均發(fā)現(xiàn)了特殊的微/納米級結(jié)構(gòu)。有報道指出，這些微細結(jié)構(gòu)在提高生物表面適應(yīng)性、增加各向異性摩擦力等方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。為了制造出表面覆蓋微納結(jié)構(gòu)的仿生黏附器件，基于立體光刻的微型 3D 打印方法越來越受歡迎。

近期，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院的吳晅副研究員團隊受爬巖魚吸附現(xiàn)象的啟發(fā)，研制了一款邊緣具有分層微結(jié)構(gòu)的仿生吸附器件（圖1），并從毛細力和Stefan黏附相關(guān)的角度解釋了微結(jié)構(gòu)邊緣在增強粘附力所起的作用。該團隊利用新型面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch S140，摩方精密)和膠體球刻蝕技術(shù)制造了具有不同仿生特征（圖2）的仿生吸盤，通過實驗驗證了微結(jié)構(gòu)形狀和規(guī)模、表面粗糙度和邊緣材料對仿生吸盤粘附力的影響。最后，團隊進行了拉脫實驗以表征仿生邊緣的剝離行為，并說明微結(jié)構(gòu)在吸盤邊緣從基底動態(tài)剝離中的作用。相關(guān)成果以“Enhanced Adhesion of Synthetic Discs with Micro-Patterned Margins”為題發(fā)表在《Biomimetics》期刊上。

圖1 爬巖魚生物吸盤和仿生吸盤結(jié)構(gòu)：（a-e）爬巖魚生物吸盤邊緣結(jié)構(gòu)；（f）仿生吸盤邊緣；（g）仿生分層微結(jié)構(gòu)；（h）仿生吸盤

圖2 不同仿生特征的微結(jié)構(gòu)示意圖

該研究中，團隊發(fā)現(xiàn)常規(guī)吸盤的吸附力曲線在 0–1 s 和 1.2–1.5 s 處顯示兩個峰值，在 1–1.2 s 和 1.5–1.8 s 處顯示兩個谷值。 另一方面，對于具有微觀結(jié)構(gòu)的吸盤，它們在 0.5 秒后只顯示一個峰值和一個谷值（圖3）。這表明與仿生吸盤相比，常規(guī)吸盤的性能不穩(wěn)定，可能由于邊緣突然從基板上剝離導致粘附力突然下降，這也很容易導致黏附完全失效。相反的，隨著拉力的逐漸增加，仿生吸盤邊緣的剝離平緩，粘附力曲線相對平滑。

通過對仿生吸盤和含水基底的界面接觸觀察，團隊發(fā)現(xiàn)，液體在單層六邊形結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生了聚集，導致部分液膜厚度不均勻。然而，這種液體聚集現(xiàn)象并沒有發(fā)生在分層微結(jié)構(gòu)的表面上（圖4）。此外，液膜在分層微結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)了分層現(xiàn)象：初級液層沿著六邊形凹槽流出，次級液層受摩擦粘滯力作用被困在纖維陣列間（圖5）。該團隊認為，這種現(xiàn)象有助于維持濕黏附狀態(tài)，增強仿生吸盤的剪切強度。該研究提出的仿生吸附器件和協(xié)同黏附策略表現(xiàn)優(yōu)異，在攀爬機器人和水下抓取方面極具應(yīng)用潛力。

圖3 具有不同仿生特征的吸盤吸附力測試

圖4 不同仿生特征邊緣從基底上剝離時的接觸界面變化：（a）單層微結(jié)構(gòu)和基底間的液膜；（b）分層微結(jié)構(gòu)和基底間的液膜；（c）單層微結(jié)構(gòu)和基底接觸截面示意圖；（c）分層微結(jié)構(gòu)和基底接觸截面示意圖；

圖5 液膜在單個分級微結(jié)構(gòu)單元中的遷移過程：(a) 分層結(jié)構(gòu)被液膜覆蓋；(b) 液膜開始分離為初級層和次級層。淺藍色箭頭表示次級液層邊界，深藍色箭頭表示初級液層邊界； (c–g) 次級液膜遷移到單個二級結(jié)構(gòu)上； (h) 單個分層微結(jié)構(gòu)單元完全從基底上剝離。

原文鏈接：https://doi.org/10.3390/biomimetics7040202