结合模仿两种或两种以上生物的特征，可以创造出超越其原型生物特性的新材料或装置，甚至获得原型生物中不存在的新性能。受壁虎刚毛的启发，具有T型末端结构的微纳米柱状阵列是最具影响的结构（图1A-B）。它可以降低结构的有效模量，增大接触面积，调控界面的应力分布，从而提高结构的黏附力。另一方面，有研究表明树蛙脚掌的模量从表面向内部逐渐降低（图1C-D），这样的模量梯度有助于提高黏附力和提高结构的耐磨性。受这两种动物黏附结构特征的启发，武汉大学动力与机械学院、工业科学研究院薛龙建教授课题组（NISE-Lab）将两者结合起来，构建了新型黏附结构（图1E）。

图1 TG的设计原理。（a）壁虎示意图；（b）由壁虎启发的带T形的微米柱状阵列示意图；（c）树蛙示意图；（d）由树蛙启发的梯度模量的柱状阵列；（e）受壁虎和树蛙启发的带T形末端的梯度模量复合微米柱状阵列。

  利用CaCO₃纳米颗粒与基体聚二甲基硅氧烷（PDMS）的密度差，结合软印刷技术与离心法，使得CaCO₃纳米颗粒梯度地分布在PDMS微米柱内部，即：微米柱的顶端含有较多的CaCO₃纳米颗粒，模量较大；含有较少CaCO₃纳米颗粒的微米柱底部的模量较小，实现了微米柱沿柱体高度方向模量的梯度变化；通过调控CaCO₃纳米颗粒的含量和离心转速和时间可以进一步调控模量梯度。进一步采用墨印技术在微米柱顶端形成T形结构，从而制备出具有梯度弹性模量的T形微米柱阵列（TG）（图2）。

图2 TG的制备过程及形貌。（a）聚氨酯（PU）孔洞模板；（b）将混合物前驱体浇注到PU模板孔洞中；（c）通过离心法使纳米颗粒在模板孔洞中形成梯度分布；（d）固化后脱模得到具有模量梯度的复合柱状阵列黏附垫；（e）经过墨印技术得到T形末端。

图3 （A）V_cal为0 vol%（TH）、3.3 vol%、9.3 vol%、14.6 vol%和19.3 vol%的TGs样品在不同梯度率下的F_ad。（B）有限元仿真模拟脱离前TG的应力分布3D图。（C）模拟脱离前TP、TH和TG在分离界面沿径向的应力分布曲线。（D）V_cal为0 vol%（TH）、3.3 vol%、9.3 vol%、14.6 vol%和19.3 vol%的TGs样品在不同梯度率下的F_f。（E）不同的剪切力F下，TG、TH和TP的接触面的光学显微镜照片。红圈代表微米柱末端发生弯曲前的位置，箭头代表发生弯曲的方向。阴影部分表示的是标准差。

  在微米柱中引入模量梯度后，微米柱的黏附力（F_ad）和摩擦力（F_f）都得到了大幅度的提升。当CaCO₃体积分数（V_cal）为14.6 vol%和梯度率为403.4 kPa /μm时，TG的F_ad （218.1 ± 3.5 kPa）达到具有T形PDMS微米柱状阵列（传统的仿壁虎刚毛结构）F_ad的4.6倍（图3A）。TG柔软的底部降低了局部弯曲刚度，从而允许微米柱顶端发生弯曲，有助于其与不平或者未对齐的表面形成更好的接触。TG顶部模量大，增强了脱黏时的最大应力；同时模量梯度大幅度降低了脱黏时分离界面边缘的应力集中，并将最大应力往分离界面的中心转移（图3B-C）。这种应力分布使得脱黏过程开始于接触区域的中心部分，然后再向外传播，直至整个接触区域。同时，TG的F_f增加到970.1 ± 56.6 mN，达到T形PDMS微米柱状阵列的2.4倍（图3D）。这是由于在摩擦过程中，TG的黏附性能好且底部柔软，有助于其在发生剪切弯曲时保持黏附在表面上（图3E）。将模量梯度引入柔软PDMS内部形成复合微米柱TG，由于微米柱模量的增大其结构稳定性也得到了提高。

  该工作将受壁虎启发的干态黏附剂的性能推到了一个新的高度，为超强黏附和摩擦材料提供了新的设计原理和制造技术。该工作以“Adhesion Enhancement of Micropillar Array by Combining the Adhesive Design from Gecko and Tree Frog”为题发表在Small, 2020, 2005493上，武汉大学动力与机械学院博士生刘权、谭迪和孟凡栋为共同第一作者，通讯作者为刘胜教授和薛龙建教授。该研究得到国家自然科学基金和国家重点研发计划项目的支持。

  NISE-Lab长期致力于仿生黏附材料（固固界面、固液界面、固液固界面）的相关研究，相关成果还发表在Adv. Sci., 2020, 2001650、 Mater. Today, 2020, 35, 42、Small, 2019, 1904248、ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 46337、ACS Nano, 2017, 11, 9711、Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 1499、Nat. Commun., 2015, 6, 6621、Nano Lett., 2013, 13, 5541等国际顶尖期刊以及书籍《Bio-Inspired Structured Adhesives》（Springer, 2017）。

  论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/smll.202005493

  NISE-Lab 课题组网站：http://niselab.whu.edu.cn/