武漢大學薛龍建課題組《ACS AMI》：壁虎啟發的用于曲面可控黏附的仿生表面
2022-07-01 來源：高分子科技
自然界中，壁虎可以在垂直墻壁、天花板等不同表面快速爬行，表現出全方位的運動能力。這種優異的運動能力與壁虎腳趾上精細的微納米剛毛結構以及腳趾的運動模式密切相關：壁虎每個腳趾上的剛毛都朝著腳趾末端的方向傾斜；當壁虎的腳趾下壓并向內收緊時，剛毛的抹刀型末端順著收緊方向在接觸表面排列，形成大量有效接觸點，從而產生足夠大的黏附力。當腳趾向上翻時，抹刀型末端從接觸表面剝離，使得壁虎腳可以輕易地從接觸表面快速脫離(圖1)。
受壁虎剛毛結構的啟發，設計制備出的仿生可逆黏附墊在工業生產、生物醫療、智能機器人以及航空航天等領域具有巨大的應用前景。然而，仿生可逆黏附很多是在平面上實現的，在具有寬曲率范圍的球面上實現強黏附和可控脫附仍具有很大的挑戰。
近期，受壁虎取向抹刀狀剛毛和腳趾協同運動的啟發，武漢大學動力與機械學院、工業科學研究院薛龍建課題組(NISE-Lab) 采用溶劑驅動墨印法一步制備了具有徑向取向的抹刀形末端微柱陣列(PROST)(圖2)。PROST在向上拉的過程中，徑向取向的末端向中心方向剪切，類似于壁虎腳趾的黏附動作，在平面和曲面（曲率高達100 m-1）上均表現出優異的黏附性能(圖3)；在曲率為63 m-1的球面上，其黏附力甚至達到T型微米柱陣列的2倍，是單向取向抹刀形柱狀陣列的3.7倍(圖4)。在溶劑刺激下，類似于壁虎腳趾的上翻動作，PROST的四個角向上卷曲，抹刀末端從基底表面剝離，實現快速分離。因此，PROST可用于在空氣中或水下轉移具有廣泛曲率的物體(圖5)。該工作為適用于曲面的黏附材料設計提供了新的設計原理和制造技術。
圖1 壁虎腳趾的黏附和脫離示意圖
圖2 PROST的制備過程示意圖
圖3 有限元模擬揭示PROST具有優異曲面黏附性能的機制
圖4 PROST在不同曲率表面上的黏附性能以及黏附性與基底厚度的關系
圖5 PROST在曲面上黏附-脫離快速切換特性以及在空氣或水下對曲面物體的轉運
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c07909
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（責任編輯：xu）
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