西安交大邵金友、田洪淼團隊《Nat. Commun.》：開發(fā)出自生長式核殼仿生粘附結(jié)構(gòu)
仿生制造是通過對自然生物的模仿實現(xiàn)高性能材料、結(jié)構(gòu)、器件和裝備的設(shè)計和制造，為學(xué)術(shù)及工程領(lǐng)域提供靈感和技術(shù)突破。壁虎能夠在豎直墻壁以及天花板表面靈活自由的爬行或長時間靜止不動，對于任意粗糙度和取向的表面都能夠提供強大且可逆的粘附能力，近十幾年來受到廣泛關(guān)注。以其腳掌末端結(jié)構(gòu)為研究對象，科研人員已經(jīng)能仿制出類似的干粘附結(jié)構(gòu)，并在特種機器人、智能機械手、醫(yī)療工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的應(yīng)用潛力。
傳統(tǒng)仿生干粘附結(jié)構(gòu)通常采用光刻、刻蝕、模塑、3D打印等機械加工的方法制備，其幾何形狀和功能特性有限，僅能在特定范圍目標(biāo)表面展現(xiàn)出高強度粘附特性，無法與生物體粘附結(jié)構(gòu)性能相提并論。形成鮮明對比的是，生物體粘附結(jié)構(gòu)是通過細(xì)胞增殖分化生長形成，無須像傳統(tǒng)加工那樣需要一系列制造過程疊加，即可實現(xiàn)形狀特征（抹刀狀或蘑菇狀形貌等）和性狀特征（結(jié)構(gòu)內(nèi)部剛度梯度化分布）的一體化生長成形，在不同目標(biāo)表面表現(xiàn)出令人驚奇的粘附特性。
從“加工”到“生長”
西安交通大學(xué)邵金友、田洪淼團隊多年致力于仿生智能機械的開發(fā)與應(yīng)用研究，摒棄了傳統(tǒng)“加工”的制造思路，聚焦生物體通過細(xì)胞增殖分化由簡單結(jié)構(gòu)演化為復(fù)雜組織器官的生長行為，巧妙地利用電場對聚合物的作用規(guī)律，提出粘附結(jié)構(gòu)“自主生長”成形新策略，實現(xiàn)了軟殼/硬核蘑菇狀干粘附結(jié)構(gòu)形貌和功能的“從無到有”一體化成形，達(dá)到了對生物體粘附結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)形式到生長策略仿生復(fù)刻的目的，在手機、陶瓷板、A4紙、毛玻璃、砂紙等常見物體表面表現(xiàn)出優(yōu)異的粘附效果，突破了仿生結(jié)構(gòu)在粗糙表面粘附力急劇下降的應(yīng)用瓶頸，如圖1所示。相關(guān)研究成果最近在《自然-通信》報道：“Core–shell dry adhesives for rough surfaces via electrically responsive self-growing strategy（Nature Communications (2022) 13:7659）”，田洪淼為論文的第一作者。
圖1 軟殼/硬核復(fù)合形式粘附結(jié)構(gòu)自主生長成形
為何生長、如何控制
根據(jù)雙層聚合物生長過程的形態(tài)演變，核殼結(jié)構(gòu)自生長過程可分為兩個階段：第一階段為對應(yīng)蘑菇桿徑成形的垂直生長，第二階段為對應(yīng)蘑菇帽檐成形的水平生長。第一階段：初始結(jié)構(gòu)僅由沒有任何特定幾何形狀的雙層平膜聚合物組成，其中頂層聚合物對應(yīng)固化后的軟材料，底層聚合物對應(yīng)固化后的硬材料。當(dāng)雙層薄膜置于空間電場時，由于異質(zhì)材料介電常數(shù)的差異性，空氣與頂層聚合物的氣/液界面以及頂層聚合物與底層聚合物的液/液界面處會產(chǎn)生Maxwell 應(yīng)力，驅(qū)動雙層聚合物按照最不穩(wěn)定波長朝向誘導(dǎo)模板流變生長；第二階段，頂層聚合物與誘導(dǎo)模板接觸后會在電潤濕效應(yīng)（electrowetting）下流動擴展至電極表面，形成蘑菇狀帽檐，同時，底層聚合物繼續(xù)在頂層聚合物內(nèi)部約束下生長，最終形成軟殼/硬核的特征形式，如圖2a~e所示。為進(jìn)一步增強自生長核殼結(jié)構(gòu)的形貌可控性，研究團隊提出了底層聚合物預(yù)結(jié)構(gòu)化方法，通過底層聚合物的預(yù)制結(jié)構(gòu)影響空間分布電場，由此產(chǎn)生的Maxwell應(yīng)力能夠驅(qū)動雙層聚合物按照初始結(jié)構(gòu)周期生長，最終實現(xiàn)大面積、均勻一致結(jié)構(gòu)制造，如圖2f~j所示。在生長成形過程中，可通過改變聚合物膜厚、空氣間隙、材料介電常數(shù)、底層聚合物預(yù)結(jié)構(gòu)形狀等工藝參數(shù)，影響氣/液和液/液界面的Maxwell驅(qū)動力和氣液固三相交界線的電潤濕力，實現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)的生長成形控制。
圖2 核殼結(jié)構(gòu)電場誘導(dǎo)自生長成形
粗糙表面粘附增強機制
相較于均質(zhì)材料的蘑菇狀軟結(jié)構(gòu)和硬結(jié)構(gòu)，蘑菇狀軟殼/硬核結(jié)構(gòu)形式具有突出的“增加界面接觸、抑制界面分離”的作用特性，如圖3所示。在界面接觸階段，粘附結(jié)構(gòu)的軟接觸有利于減小界面接觸應(yīng)力差異，從而提升粘附結(jié)構(gòu)與目標(biāo)表面間的有效接觸面積，因此，核殼結(jié)構(gòu)的實際接觸面積遠(yuǎn)大于硬結(jié)構(gòu)，由此說明“為什么核殼結(jié)構(gòu)粘附力大于硬質(zhì)結(jié)構(gòu)”；在界面分離階段，粘附結(jié)構(gòu)的硬材質(zhì)分離趨向于結(jié)構(gòu)整體與目標(biāo)表面分離，有利于抑制剝離行為的產(chǎn)生，而軟質(zhì)結(jié)構(gòu)分離容易從應(yīng)力集中點處率先產(chǎn)生裂紋并迅速擴展，由此說明“為什么核殼結(jié)構(gòu)粘附力大于軟質(zhì)結(jié)構(gòu)”。核殼結(jié)構(gòu)綜合了軟質(zhì)材料和硬質(zhì)材料在接觸和分離結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢特征，保障了從納米到微米多尺度粗糙度表面的高強度附著。
圖3 核殼結(jié)構(gòu)在粗糙表面的粘附增強機制
自生長核殼結(jié)構(gòu)粘附效果
自生長蘑菇狀核殼結(jié)構(gòu)在納米、微米甚至上百微米粗糙度表面（以粗糙度標(biāo)準(zhǔn)樣塊和系列化砂紙作為目標(biāo)對象）均具有優(yōu)異的粘附特性，在1000次循環(huán)測試下沒有發(fā)生明顯的粘附強度下降，與傳統(tǒng)加工制造的粘附結(jié)構(gòu)相比，在目標(biāo)表面適用范圍和粘附強度方面表現(xiàn)出突出優(yōu)勢，如圖4所示。
圖4 核殼結(jié)構(gòu)在不同目標(biāo)表面的粘附性能
針對目前仿生干粘附結(jié)構(gòu)在粗糙表面高強度附著的挑戰(zhàn)性難題，研究人員從壁虎腳掌末端結(jié)構(gòu)形式和生成機制出發(fā)，設(shè)計了蘑菇狀軟殼/硬核仿生結(jié)構(gòu)形式，提出了核殼結(jié)構(gòu)“從無到有”的電致自主生長成形策略，自生長式核殼仿生粘附結(jié)構(gòu)在納米、微米甚至百微米量級粗糙度表面表現(xiàn)出優(yōu)異的粘附特性；研究工作突破了仿生干粘附結(jié)構(gòu)在目標(biāo)表面粗糙度適用范圍以及結(jié)構(gòu)耐久度方面的應(yīng)用瓶頸，有助于推動仿生粘附相關(guān)結(jié)構(gòu)、器件和系統(tǒng)的發(fā)展，為仿生干粘附領(lǐng)域研究提供了新的思路。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35436-6
