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(gè)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(fù)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(xué)者們在生物黏附器官表面均發(fā)現(xiàn)了特殊的微/納米級(jí)結(jié)構(gòu)。有報(bào)道指出，這些微細(xì)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(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的吳晅副研究員團(tuán)隊(duì)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(xì)力和Stefan黏附相關(guān)的角度解釋了微結(jié)構(gòu)邊緣在增強(qiáng)粘附力所起的作用。該團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)進(jìn)行了拉脫實(shí)驗(yàn)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(dòng)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
該研究中，團(tuán)隊(duì)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(gè)峰值，在 1–1.2 s 和 1.5–1.8 s 處顯示兩個(gè)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(gè)峰值和一個(gè)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(dǎo)致粘附力突然下降，這也很容易導(dǎo)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(tuán)隊(duì)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(dǎo)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(jí)液層沿著六邊形凹槽流出，次級(jí)液層受摩擦粘滯力作用被困在纖維陣列間（圖5）。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種現(xiàn)象有助于維持濕黏附狀態(tài)，增強(qiáng)仿生吸盤的剪切強(qiáng)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(jī)器人和水下抓取方面極。具應(yīng)用潛力。
圖5 液膜在單個(gè)分級(jí)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(jí)層和次級(jí)層。淺藍(lán)色箭頭表示次級(jí)液層邊界，深藍(lán)色箭頭表示初級(jí)液層邊界； (c–g) 次級(jí)液膜遷移到單個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)上； (h) 單個(gè)分層微結(jié)構(gòu)單元完。全從基底上剝離。
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