近期，华中科技大学机械学院/智能制造装备与技术全国重点实验室黄永安教授团队在顶级期刊《Science Advances》上发表了题为“通过界面激光剥离策略实现多功能昆虫翅膜的可扩展制造”的突破性研究。该工作首创了一种简单、可扩展的界面激光剥离（Lase-and-Peel）技术，成功在超薄聚酰亚胺基底上，实现了形态与功能均与天然昆虫（蜻蜓）翅膀高度一致的人工翅膜的大规模、高保真制造。

  昆虫翅膀表面的不规则纳米结构集自清洁、高透光与抗菌等多重优异特性于一体，是仿生功能表面的理想原型。然而，现有纳米制造技术主要依赖复杂且昂贵的“自上而下”表面加工，对基底平整度与加工深度精度要求极为苛刻，难以在亚微米级超薄柔性基底上实现大规模复制，更无法兼顾“形”（极薄且强韧）与“神”（纳米结构及其多功能）的仿生统一。

  针对这一挑战，研究团队独辟蹊径，将制造思路从“表面”转向“界面”。他们首先利用激光在聚酰亚胺-玻璃界面诱导纳米气泡进行可控自组装，形成界面纳米结构；继而通过机械剥离，将界面结构瞬间转化为表面纳米柱阵列。该过程巧妙利用了纳米气泡聚合与机械断裂的物理机制，极大地简化了传统不规则纳米柱的制造流程，并天然适用于亚微米级超薄膜的加工。所获得的人工翅膜厚度不足500纳米，其表面纳米结构在高深宽比、随机分布等精细形貌特征上与天然昆虫翅膀高度一致。

  此项技术具有多方面显著优势：

  高保真仿生：首次在超薄耐用基底上，同步复刻了昆虫翅膀的膜体与纳米结构，仿生精度达到了“真假难分”的水平。

  多功能集成：人工翅膜展现出显著的亲水改性、高效抗菌性能、卓越的抗反射能力（使聚酰亚胺薄膜反射率降低约7%）以及良好的机械化学稳定性。

  超薄易集成：超薄特性使其无需粘合剂即可无缝贴附于任意平面或曲面。团队已成功将其集成于隐形眼镜，验证了其在提升光学性能（减少眩光）与增强抗菌能力方面的应用潜力。

  工艺简单、可扩展：全过程无需洁净室、真空环境或化学试剂，也无需掩模，可直接利用商用工业激光加工系统进行规模化生产，理论加工效率有望超过100 cm2/s。

图1 Lase-and-Peel工艺过程及制造能力

  研究团队对界面发泡空化的演变机理与微观过程进行了系统探究。采用准分子激光器的平顶光束，使激光诱导反应主要集中于垂直方向。聚酰亚胺（PI）对308 nm紫外激光的强烈吸收，导致界面温度在几十纳秒内迅速超过其分解阈值。在中等激光能量（如略高于烧蚀阈值的100 mJ/cm2）下，界面极薄层发生分解并产生气体产物，这些气体可重塑熔融PI的形态。激光能量过高或过低则分别会引起碳化或不分解，均无法形成所需纳米柱。

  随着累积脉冲数（APN）增加，纳米级气体在熔融聚合物中逐渐积聚，这一独特现象得益于PI的强紫外吸收、玻璃基底的高效导热以及封闭的界面环境。该机制既保证了纳米尺度的高度局域化加工（与天然结构匹配），又通过逐脉冲的微量气体积累避免了超薄膜的机械损伤。界面发泡依次经历成核、生长、团聚等阶段，气泡在极薄平面内排列，随后经破裂与收缩，最终形成纳米柱。（图2）

图2 气体诱导界面发泡的过程机理

  图3的研究直观展示了同一区域随激光脉冲次数增加的光学图像与表面轮廓演变，并同步测量了界面结合强度的变化。初期辐照后无明显形变，表明尚未成核；当APN达到20时，区域变暗并出现约50 nm的轻微膨胀，提示高密度纳米气泡开始形成；继续增加辐照次数，膨胀幅度呈阶梯式增长，同时界面结合强度急剧下降，这标志着界面纳米柱的逐步形成。后续辐照促使纳米柱继续生长直至自发断裂，实现界面完全分离。结果表明，纳米柱的逐渐形成同步削弱了界面粘附力，从而确保了后续机械剥离的可行性。剥离路径受发泡程度精确调控：在固定激光能量下，仅在一定APN范围内才能均匀生成表面纳米结构；辐照不足或过度，均可能导致剥离后表面光滑、无纳米结构生成。（图3）。

图3 路径选择界面分离

  研究进一步表明，纳米结构的形貌可通过调节激光扫描参数进行精准、灵活的调控。单向扫描可得到各向异性、垂直于扫描方向排列的纳米片簇；而交叉扫描则能获得各向同性、均匀分布的纳米柱阵列。这一现象可能与激光诱导周期性表面结构有关，交叉扫描实现了能量分布的均匀化。随着APN增加，纳米结构覆盖率下降、间距增大，反映了纳米气泡的凝聚过程；同时，纳米柱高度随APN增加而增加，其最大高度由所施加的激光通量调控（图4）。

图4 IWNs形态特征调控

  得益于与天然昆虫翅膀纳米结构的高度形似，人造仿生翅膜展现出与之相媲美的多功能特性。在光学性能方面，修饰后的PI膜透射率提升约7%，玻璃透射率提升约3.7%，且在宽入射角范围内保持稳定，表现出优异的全向减反射特性；在黄-红光波段，其性能与天然翅膀相当。超薄涂层（<500 nm）可直接应用于透明聚合物薄膜（如无色PI），在几乎不影响透光度的同时实现高效减反射。在耐久性方面，该结构能承受一定外力而性能不失效；在化学稳定性层面，则具备优异的耐热性与有机溶剂耐受性。（图5）。

图5 多功能表面特性展示

  研究团队还前瞻性地展示了该技术在混合现实（MR）设备眼动追踪领域的应用潜力。当前，商用眼动追踪系统易受隐形眼镜表面反射光干扰，影响瞳孔检测精度，且长期佩戴隐形眼镜存在细菌感染风险。本研究开发的仿生翅膜厚度仅亚微米级，可利用水面张力实现无粘合剂的自适应贴合，甚至能共形附着于曲率半径小于500 nm的皱褶表面。基于此，团队成功研制出具备增强光学性能、抗菌与紫外线阻隔功能的仿生隐形眼镜，为提升眼动追踪系统的稳定性与佩戴者的健康安全提供了创新解决方案。（图6）。

图6 昆虫翅膜启发的多功能隐形眼镜

  该研究不仅为在高性能工程塑料上制造功能性纳米结构开辟了一条全新路径，更提供了一种普适、高效的表面改性新策略。这种超薄、多功能、易贴合的人工仿生翅膜，在柔性显示、医疗器械与植入物、生物集成光学器件、柔性可贴合电子设备等诸多前沿领域展现出广阔的应用前景，有力推动了昆虫翅仿生纳米结构制造向更高效、更实用、可共形集成的方向发展。

  华中科技大学机械学院2020届博士生卞敬、2023级硕士生马宇行、2020级硕士生凌红为论文共同第一作者，华中科技大学黄永安教授为通讯作者。研究得到了国家自然科学基金与湖北省中央引导地方发展专项的资助。

  论文链接：Jing Bian et al., Scalable manufacturing of multifunctional insect wing membrane via interfacial lase-and-peel strategy. Sci. Adv. 11, eaea6934 (2025).

  https://doi.org/10.1126/sciadv.aea6934