武漢大學(xué)薛龍建課題組《ACS AMI》：壁虎啟發(fā)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(xiàn)出全方位的運動能力。這種優(yōu)異的運動能力與壁虎腳趾上精細的微納米剛毛結(jié)構(gòu)以及腳趾的運動模式密切相關(guān)：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(nèi)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(chǎn)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(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計制備出的仿生可逆黏附墊在工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)療、智能機器人以及航空航天等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。然而，仿生可逆黏附很多是在平面上實現(xiàn)的，在具有寬曲率范圍的球面上實現(xiàn)強黏附和可控脫附仍具有很大的挑戰(zhàn)。
近期，受壁虎取向抹刀狀剛毛和腳趾協(xié)同運動的啟發(fā)，武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院、工業(yè)科學(xué)研究院薛龍建課題組(NISE-Lab) 采用溶劑驅(qū)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(xiàn)出優(yōu)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(xiàn)快速分離。因此，PROST可用于在空氣中或水下轉(zhuǎn)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(shè)計提供了新的設(shè)計原理和制造技術(shù)。
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(yōu)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(guān)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(zhuǎn)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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