樹蛙腳掌的多級微納界面濕增摩效應(yīng)規(guī)律研究
機(jī)械工程及自動化學(xué)院陳華偉課題小組在仿生濕潤滑表面取得重大突破，研究成果發(fā)表于Advanced Science
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精準(zhǔn)醫(yī)療已列入我國“十三五”規(guī)劃的重點(diǎn)內(nèi)容，生/機(jī)界面功能化成為精準(zhǔn)醫(yī)療的重要課題。精準(zhǔn)醫(yī)療器械與軟組織的濕滑接觸中，濕滑接觸界面打滑不可避免，甚至?xí)鸩槐匾穆闊?。例如，外科醫(yī)生常采取“寧緊勿松”的夾持策略防止手術(shù)夾持滑脫，造成夾持過載，引起軟組織損傷；風(fēng)靡全球的可穿戴柔性傳感器在皮膚冒汗后會出現(xiàn)測試精度下降甚至脫落失效。
為了提升濕滑生/機(jī)界面的粘附或摩擦性能，師法自然，人們基于章魚真空吸盤結(jié)構(gòu)、樹蛙腳墊結(jié)構(gòu)等已創(chuàng)新性地提出了許多新方法、新結(jié)構(gòu)，成功應(yīng)用于精準(zhǔn)醫(yī)療生/機(jī)界面上。尤其，樹蛙作為一種生活在濕環(huán)境的兩棲生物，其腳掌可在無需額外壓力下產(chǎn)生強(qiáng)濕粘附/濕摩擦，借助樹蛙腳墊的強(qiáng)濕摩擦策略，人們已研制出仿生剃須刀、仿生防滑夾鉗等。然而，在生/機(jī)接觸過程中，界面液膜在樹蛙腳墊結(jié)構(gòu)上的動態(tài)行為規(guī)律、及微納液橋形成機(jī)制等卻很少涉及。
北京航空航天大學(xué)陳華偉教授課題組，在江雷院士、雒建斌院士和張德遠(yuǎn)教授指導(dǎo)下，表征了樹蛙腳掌表面的微納多級六棱柱及納凹坑結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了生/機(jī)接觸過程中微納特征結(jié)構(gòu)/材質(zhì)協(xié)同作用下的兩種特殊液膜界面效應(yīng)，即法向碎化效應(yīng)、納凹坑自吸附效應(yīng)。揭示了兩種界面效應(yīng)對界面毛細(xì)力、微納液橋形成的影響規(guī)律，建立了強(qiáng)濕摩擦增效理論模型，提出了強(qiáng)濕摩擦表面仿生設(shè)計方法，并將其應(yīng)用到仿生手術(shù)夾鉗、仿生可穿戴傳感裝置上，驗(yàn)證了濕增摩有效性（圖1）。張力文博士作為第一作者，陳華偉教授為通訊作者發(fā)表于《Advanced Science》，Adv. Sci. 2020, 2001125。
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圖1 精準(zhǔn)醫(yī)療的生/機(jī)界面
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本文通過表征樹蛙腳掌，發(fā)現(xiàn)其表面覆蓋著微納多級棱柱陣列，且每個納米棱柱頂部都有納米凹坑結(jié)構(gòu)。為了揭示界面液膜的行為機(jī)制，師法自然設(shè)計制備出多種仿生多級結(jié)構(gòu)表面，模仿模仿樹蛙爬行行為，對樹蛙腳掌和仿生表面進(jìn)行了連續(xù)抬步摩擦測試（FLC），兩者表現(xiàn)出了極其相似的界面液膜狀態(tài)和摩擦力變化規(guī)律（圖2）。即，隨著抬步數(shù)增加，界面粘液逐漸減少，由濕變干過程中會出現(xiàn)一個摩擦力峰值，與濕、干狀態(tài)相比增大超20余倍，明顯有別于傳統(tǒng)機(jī)械表面摩擦。
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圖2 樹蛙腳墊結(jié)構(gòu)表征
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進(jìn)一步對表界面液膜原位表征，發(fā)現(xiàn)密排棱柱結(jié)構(gòu)在抬步的過程中會自發(fā)將液膜從溝槽內(nèi)均勻地分裂開，使液體運(yùn)動并停留在每個棱柱表面上，即液膜自碎化。隨著界面液量減少，這種液膜分裂行為會依次出現(xiàn)在第一、二級棱柱表面上，達(dá)到兩級液膜自碎化效應(yīng)（圖3），從而能使液膜能夠均勻地分布于整個仿生表面。
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圖3 液膜多級碎化
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為揭示碎化后界面液膜對棱柱的作用規(guī)律，與清華大學(xué)雒院士團(tuán)隊馬麗然老師合作通過實(shí)時動態(tài)觀測薄膜干涉條紋變化來估算出界面液膜厚度。經(jīng)估算，棱柱界面液膜最薄可低于200nm，可形成7倍大氣壓吸附力使棱柱緊緊貼合基底表面（圖4）。這就可說明樹蛙腳墊即使在沒有外壓力作用下，仍能夠產(chǎn)生極強(qiáng)濕摩擦。
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圖4 液膜實(shí)時觀測
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當(dāng)棱柱頂部有凹坑時，棱柱頂面的納米液膜毛細(xì)力依然作用于整個表面，而固-固作用力僅集中于棱柱外側(cè)的凹坑邊緣，從而能夠在邊緣形成更薄的納米液膜（圖5）。干涉條紋表征可知，凹坑棱柱表面液膜比光滑棱柱表面的液膜薄約50 nm，從而有助于形成更強(qiáng)的毛細(xì)力和強(qiáng)濕摩擦，達(dá)到凹坑增強(qiáng)效果。針對仿樹蛙腳墊微納結(jié)構(gòu)的濕增摩界面效應(yīng)，進(jìn)一步提出了兩個濕增摩因子，即液膜自碎化增強(qiáng)因子和納凹坑自吸附增強(qiáng)因子。
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圖5 凹坑自吸附效應(yīng)
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針對手術(shù)夾鉗和可穿戴傳感生/機(jī)表面的濕滑脫問題，引入仿樹蛙腳掌強(qiáng)濕摩擦機(jī)制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可以有效增強(qiáng)夾鉗在低夾持力下的摩擦力并減小組織變形量，降低組織損傷率，增強(qiáng)可穿戴傳感表面對皮膚汗液承受性能，提高傳感精準(zhǔn)度（圖6）。
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圖6 強(qiáng)濕摩擦仿生表面應(yīng)用
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綜上，本文揭示了樹蛙腳掌利用其微納多級結(jié)構(gòu)形成的獨(dú)特界面液膜調(diào)控作用，發(fā)展出液膜自碎化增效和凹坑自吸附增強(qiáng)效應(yīng)，通過在界面間形成的納米液膜的強(qiáng)毛細(xì)吸附作用，達(dá)到了無外壓力下產(chǎn)生強(qiáng)濕邊界摩擦的效果。本研究為濕粘附增強(qiáng)提供了一種新的方案，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療、可穿戴傳感等領(lǐng)域的接觸增強(qiáng)提供了新思路和新方法。
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論文信息：
Micro–Nano Hierarchical Structure Enhanced Strong Wet Friction Surface Inspired by Tree Frogs
Liwen Zhang, Huawei Chen*, Yurun Guo, Yan Wang, Yonggang Jiang, Deyuan Zhang, Liran Ma, Jianbin Luo, Lei Jiang
論文鏈接：http://dx.
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