《Biomimetics》：微米(mi)級(ji)3D打印(yin)助(zhu)力仿爬巖(yan)魚吸盤制備(bei)

自然(ran)界(jie)中有(you)許多(duo)水(shui)生(sheng)生(sheng)物(wu)具(ju)有(you)令人驚(jing)嘆的(de)吸附能(neng)力，例如(ru)，章(zhang)魚可(ke)以(yi)利(li)用手臂(bi)上(shang)的(de)吸盤在(zai)海(hai)中爬行並捕捉(zhuo)獵(lie)物，鮣(鮣)魚(yu)可(ke)以(yi)使用(yong)背上的(de)粘性(xing)圓盤附(fu)著(zhe)在(zai)鯊(sha)魚身上 “搭(da)便(bian)車(che)"，爬巖(yan)魚將它們的(de)整(zheng)個身體(ti)用作吸附系(xi)統抵禦湍流(liu)的(de)沖擊(ji)。這些生(sheng)物(wu)大多(duo)具(ju)有(you)基於負(fu)壓效(xiao)應的(de)吸盤黏附系(xi)統，盡(jin)管(guan)生(sheng)物(wu)吸附器官(guan)的(de)種(zhong)類(lei)和(he)形式不(bu)同(tong)，但學(xue)者們在(zai)生(sheng)物(wu)黏附器官(guan)表面均(jun)發(fa)現了特殊的(de)微(wei)/納(na)米(mi)級結構(gou)。有(you)報道指(zhi)出(chu)，這些微(wei)細結(jie)構(gou)在(zai)提高生(sheng)物(wu)表面適(shi)應性(xing)、增加(jia)各向異(yi)性(xing)摩擦(ca)力等(deng)方面發揮了至(zhi)關重(zhong)要的(de)作用。為了制造出(chu)表面覆(fu)蓋(gai)微納(na)結(jie)構(gou)的(de)仿生(sheng)黏附器件，基於立(li)體(ti)光刻(ke)的(de)微(wei)型(xing) 3D 打印(yin)方法越(yue)來越(yue)受歡(huan)迎。

近期，中國科學院合肥(fei)物(wu)質(zhi)科學研究(jiu)院的(de)吳(wu)晅(晅)副(fu)研(yan)究員團(tuan)隊(dui)受爬巖(yan)魚吸附現(xian)象(xiang)的(de)啟(qi)發，研制了壹(yi)款邊(bian)緣(yuan)具(ju)有(you)分層微(wei)結(jie)構(gou)的(de)仿生(sheng)吸附器件（圖1），並從(cong)毛(mao)細力和Stefan黏附相(xiang)關的(de)角(jiao)度(du)解(jie)釋(shi)了微結(jie)構(gou)邊緣(yuan)在(zai)增強(qiang)粘附力所起(qi)的(de)作用。該(gai)團(tuan)隊(dui)利(li)用新(xin)型面投影微立(li)體(ti)光刻(ke)技術(nanoArch S140，摩方精(jing)密(mi))和膠(jiao)體球(qiu)刻(ke)蝕(shi)技(ji)術制造了具(ju)有(you)不同(tong)仿生(sheng)特(te)征(zheng)（圖2）的(de)仿生(sheng)吸盤，通(tong)過(guo)實(shi)驗驗(yan)證了微結(jie)構(gou)形狀(zhuang)和(he)規(gui)模、表面粗糙(cao)度(du)和邊緣(yuan)材料對仿生(sheng)吸盤粘附力的(de)影(ying)響(xiang)。最後，團(tuan)隊(dui)進行了拉(la)脫實(shi)驗以(yi)表征(zheng)仿生(sheng)邊(bian)緣(yuan)的(de)剝離(li)行為，並說明微結(jie)構在(zai)吸盤邊(bian)緣(yuan)從(cong)基底動態(tai)剝離(li)中的(de)作用。相關成(cheng)果(guo)以(yi)“Enhanced Adhesion of Synthetic Discs with Micro-Patterned Margins"為題(ti)發表在(zai)《Biomimetics》期(qi)刊上。

圖1 爬巖(yan)魚生(sheng)物(wu)吸盤和(he)仿生(sheng)吸盤結(jie)構(gou)：（a-e）爬巖(yan)魚生(sheng)物(wu)吸盤邊(bian)緣(yuan)結(jie)構(gou)；（f）仿生(sheng)吸盤邊(bian)緣(yuan)；（g）仿生(sheng)分層微(wei)結(jie)構(gou)；（h）仿生(sheng)吸盤

該(gai)研究中，團(tuan)隊(dui)發現(xian)常規(gui)吸盤的(de)吸附力曲線(xian)在(zai) 0–1 s 和(he) 1.2–1.5 s 處(chu)顯示(shi)兩(liang)個(ge)峰值，在(zai) 1–1.2 s 和(he) 1.5–1.8 s 處(chu)顯示(shi)兩(liang)個(ge)谷值。 另(ling)壹(yi)方面，對於具(ju)有(you)微觀(guan)結構(gou)的(de)吸盤，它(ta)們在(zai) 0.5 秒(miao)後只(zhi)顯示(shi)壹(yi)個峰(feng)值(zhi)和(he)壹(yi)個谷(gu)值(zhi)（圖3）。這表明與仿生(sheng)吸盤相(xiang)比，常規(gui)吸盤的(de)性(xing)能(neng)不穩(wen)定(ding)，可(ke)能(neng)由(you)於邊(bian)緣(yuan)突(tu)然(ran)從(cong)基板上(shang)剝離(li)導致粘附力突(tu)然(ran)下(xia)降(jiang)，這也很容(rong)易(yi)導致黏附完(wan)。全(quan)失(shi)效(xiao)。相反(fan)的(de)，隨(sui)著(zhe)拉(la)力的(de)逐(zhu)漸增加(jia)，仿生(sheng)吸盤邊(bian)緣(yuan)的(de)剝離(li)平緩，粘附力曲線(xian)相對平滑(hua)。

通(tong)過對仿生(sheng)吸盤和(he)含(han)水(shui)基底的(de)界(jie)面接觸(chu)觀(guan)察，團(tuan)隊(dui)發現(xian)，液體在(zai)單(dan)層六邊形(xing)結(jie)構(gou)表面產生(sheng)了聚集(ji)，導(dao)致部(bu)分液膜厚度(du)不均(jun)勻(yun)。然(ran)而(er)，這種液(ye)體聚集現象並沒(mei)有(you)發生(sheng)在(zai)分層微(wei)結(jie)構(gou)的(de)表面上（圖4）。此(ci)外(wai)，液膜在(zai)分層微(wei)結(jie)構(gou)表面出現了分層現(xian)象(xiang)：初(chu)級液層沿著(zhe)六邊(bian)形凹(ao)槽流(liu)出，次級(ji)液層(ceng)受(shou)摩擦(ca)粘滯力作用被(bei)困在(zai)纖(xian)維陣列(lie)間(jian)（圖5）。該(gai)團(tuan)隊(dui)認為，這種現(xian)象有(you)助(zhu)於維持(chi)濕(shi)黏附狀(zhuang)態(tai)，增強(qiang)仿生(sheng)吸盤的(de)剪(jian)切(qie)強(qiang)度。該(gai)研究提出的(de)仿生(sheng)吸附器件和協(xie)同(tong)黏附策(ce)略(lve)表現優(you)異(yi)，在(zai)攀(pan)爬機器人和水(shui)下(xia)抓取(qu)方面極。具(ju)應用(yong)潛力。

圖5 液(ye)膜在(zai)單(dan)個分級微(wei)結(jie)構(gou)單元中的(de)遷(qian)移(yi)過(guo)程(cheng)：(a) 分層結(jie)構(gou)被(bei)液膜覆(fu)蓋(gai)；(b) 液膜開(kai)始(shi)分離(li)為初(chu)級層和(he)次級層(ceng)。淺(qian)藍色(se)箭(jian)頭(tou)表示次級液(ye)層(ceng)邊(bian)界，深(shen)藍色(se)箭(jian)頭(tou)表示初級液(ye)層(ceng)邊(bian)界； (c–g) 次(ci)級液(ye)膜遷移(yi)到(dao)單(dan)個(ge)二級(ji)結(jie)構上(shang)； (h) 單(dan)個分層微(wei)結(jie)構(gou)單元完(wan)。全(quan)從(cong)基底上剝離(li)。