西安交大邵金友、田洪淼团队《Nat. Commun.》：开发出自生长式核壳仿生粘附结构

2022-12-19 来源：高分子科技

仿生制造是通过对自然生物的模仿实现高性能材料、结构、器件和装备的设计和制造，为学术及工程领域提供灵感和技术突破。壁虎能够在竖直墙壁以及天花板表面灵活自由的爬行或长时间静止不动，对于任意粗糙度和取向的表面都能够提供强大且可逆的粘附能力，近十几年来受到广泛关注。以其脚掌末端结构为研究对象，科研人员已经能仿制出类似的干粘附结构，并在特种机器人、智能机械手、医疗工程等领域展现出不可替代的应用潜力。

传统仿生干粘附结构通常采用光刻、刻蚀、模塑、3D打印等机械加工的方法制备，其几何形状和功能特性有限，仅能在特定范围目标表面展现出高强度粘附特性，无法与生物体粘附结构性能相提并论。形成鲜明对比的是，生物体粘附结构是通过细胞增殖分化生长形成，无须像传统加工那样需要一系列制造过程叠加，即可实现形状特征（抹刀状或蘑菇状形貌等）和性状特征（结构内部刚度梯度化分布）的一体化生长成形，在不同目标表面表现出令人惊奇的粘附特性。

从“加工”到“生长”

西安交通大学邵金友、田洪淼团队多年致力于仿生智能机械的开发与应用研究，摒弃了传统“加工”的制造思路，聚焦生物体通过细胞增殖分化由简单结构演化为复杂组织器官的生长行为，巧妙地利用电场对聚合物的作用规律，提出粘附结构“自主生长”成形新策略，实现了软壳/硬核蘑菇状干粘附结构形貌和功能的“从无到有”一体化成形，达到了对生物体粘附结构从结构形式到生长策略仿生复刻的目的，在手机、陶瓷板、A4纸、毛玻璃、砂纸等常见物体表面表现出优异的粘附效果，突破了仿生结构在粗糙表面粘附力急剧下降的应用瓶颈，如图1所示。相关研究成果最近在《自然-通信》报道：“Core–shell dry adhesives for rough surfaces via electrically responsive self-growing strategy（Nature Communications (2022) 13:7659）”，田洪淼为论文的第一作者。

图1 软壳/硬核复合形式粘附结构自主生长成形

为何生长、如何控制

根据双层聚合物生长过程的形态演变，核壳结构自生长过程可分为两个阶段：第一阶段为对应蘑菇杆径成形的垂直生长，第二阶段为对应蘑菇帽檐成形的水平生长。第一阶段：初始结构仅由没有任何特定几何形状的双层平膜聚合物组成，其中顶层聚合物对应固化后的软材料，底层聚合物对应固化后的硬材料。当双层薄膜置于空间电场时，由于异质材料介电常数的差异性，空气与顶层聚合物的气/液界面以及顶层聚合物与底层聚合物的液/液界面处会产生Maxwell 应力，驱动双层聚合物按照最不稳定波长朝向诱导模板流变生长；第二阶段，顶层聚合物与诱导模板接触后会在电润湿效应（electrowetting）下流动扩展至电极表面，形成蘑菇状帽檐，同时，底层聚合物继续在顶层聚合物内部约束下生长，最终形成软壳/硬核的特征形式，如图2a~e所示。为进一步增强自生长核壳结构的形貌可控性，研究团队提出了底层聚合物预结构化方法，通过底层聚合物的预制结构影响空间分布电场，由此产生的Maxwell应力能够驱动双层聚合物按照初始结构周期生长，最终实现大面积、均匀一致结构制造，如图2f~j所示。在生长成形过程中，可通过改变聚合物膜厚、空气间隙、材料介电常数、底层聚合物预结构形状等工艺参数，影响气/液和液/液界面的Maxwell驱动力和气液固三相交界线的电润湿力，实现核壳结构的生长成形控制。

图2 核壳结构电场诱导自生长成形

粗糙表面粘附增强机制

相较于均质材料的蘑菇状软结构和硬结构，蘑菇状软壳/硬核结构形式具有突出的“增加界面接触、抑制界面分离”的作用特性，如图3所示。在界面接触阶段，粘附结构的软接触有利于减小界面接触应力差异，从而提升粘附结构与目标表面间的有效接触面积，因此，核壳结构的实际接触面积远大于硬结构，由此说明“为什么核壳结构粘附力大于硬质结构”；在界面分离阶段，粘附结构的硬材质分离趋向于结构整体与目标表面分离，有利于抑制剥离行为的产生，而软质结构分离容易从应力集中点处率先产生裂纹并迅速扩展，由此说明“为什么核壳结构粘附力大于软质结构”。核壳结构综合了软质材料和硬质材料在接触和分离结构的优势特征，保障了从纳米到微米多尺度粗糙度表面的高强度附着。

图3 核壳结构在粗糙表面的粘附增强机制

自生长核壳结构粘附效果

自生长蘑菇状核壳结构在纳米、微米甚至上百微米粗糙度表面（以粗糙度标准样块和系列化砂纸作为目标对象）均具有优异的粘附特性，在1000次循环测试下没有发生明显的粘附强度下降，与传统加工制造的粘附结构相比，在目标表面适用范围和粘附强度方面表现出突出优势，如图4所示。

图4 核壳结构在不同目标表面的粘附性能

针对目前仿生干粘附结构在粗糙表面高强度附着的挑战性难题，研究人员从壁虎脚掌末端结构形式和生成机制出发，设计了蘑菇状软壳/硬核仿生结构形式，提出了核壳结构“从无到有”的电致自主生长成形策略，自生长式核壳仿生粘附结构在纳米、微米甚至百微米量级粗糙度表面表现出优异的粘附特性；研究工作突破了仿生干粘附结构在目标表面粗糙度适用范围以及结构耐久度方面的应用瓶颈，有助于推动仿生粘附相关结构、器件和系统的发展，为仿生干粘附领域研究提供了新的思路。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35436-6

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（责任编辑：xu）

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