中國科學院合肥物質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/納米級結構。有報道指出，這些微細結構在提高生物表面適應性、增加各向異性摩擦力等方面發(fā)揮了至關重要的作用。為了制造出表面覆蓋微納結構的仿生黏附器件，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構的仿生吸附器件（圖1），并從毛細力和Stefan黏附相關的角度解釋了微結構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(nanoArch S140，摩方精密)和膠體球刻蝕技術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構形狀和規(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，并說明微結構在吸盤邊緣從基底動態(tài)剝離中的作用。相關成果以“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構：（a-e）爬巖魚生物吸盤邊緣結構；（f）仿生吸盤邊緣；（g）仿生分層微結構；（h）仿生吸盤

圖2 不同仿生特征的微結構示意圖

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，對于具有微觀結構的吸盤，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構表面產生了聚集，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)生在分層微結構的表面上（圖4）。此外，液膜在分層微結構表面出現(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）單層微結構和基底間的液膜；（b）分層微結構和基底間的液膜；（c）單層微結構和基底接觸截面示意圖；（c）分層微結構和基底接觸截面示意圖；

圖5 液膜在單個分級微結構單元中的遷移過程：(a) 分層結構被液膜覆蓋；(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構上； (h) 單個分層微結構單元完全從基底上剝離。

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