亚博网站手机版|yobo体育app|官方下载

【中科院之声】人可能拥有“壁虎手”么?

  壁虎能够依靠其黏性的趾垫在墙壁、天花板上快速地移动。在过去的20多年里,这种优异的可逆黏附能力获得了研究者们高度关注。通过研究壁虎的黏附作用机制,对于开发新型粘结剂、软体机器人等具有重要意义。电影《蜘蛛侠》中彼得帕克飞檐走壁的本领更加激发了人类对这种能力的向往。 

(图片来自网络)

  壁虎快速、可逆、可调控的黏附力来源于其特殊的脚趾。事实上,我们用肉眼就能观察到壁虎柔软的脚趾上呈现出毫米级的条带状褶皱。通过光学显微镜的放大,我们能够观察到其条带状的褶皱是由许多密集的微米尺度的纤维组成的。而利用扫描电子显微镜技术,存在于壁虎脚趾上的复杂微观黏附结构系统才得以揭示:壁虎脚趾的黏附系统是一种跨尺度的多级分形纤维状结构。其由数以百万计的被称为刚毛(setae)的细小毛发状结构组成,这些结构在尖端进一步分裂为200纳米宽和5纳米厚的纳米结构突触(spatulae)。这种特殊的多级分形的结构能够克服表面粗糙度的影响,与黏附基底表面形成良好的接触,从而产生超过壁虎体重多倍的黏附力。

图1 壁虎脚的结构。(a,b)壁虎(Gekko gecko)与壁虎脚。(c)刚毛密集排列。(d)单根刚毛。圆形突触。(e)放大的突触

  壁虎脚趾与基底良好的接触能够产生充分的相互作用力,对于壁虎黏附相互作用力的研究一直是热点。Autumn等人在21世纪初的一项重要工作表明,可逆的范德华力是壁虎黏附力的主要来源。后续的研究表明毛细作用、静电作用、疏水作用等也在壁虎的脚趾中产生不可或缺的影响。最新的研究表明壁虎脚趾的脂质分泌物产生的酸碱相互作用也在壁虎的可逆黏附中扮演着重要的角色。这些界面的物理化学相互作用,在壁虎运动中快速可逆的黏附、摩擦、自清洁等方面意义非凡。随着研究深入,科学家们发现壁虎神奇的黏附能力的基础不仅仅是这些界面的物理化学相互作用,壁虎脚趾上刚毛的模量、尖端的几何形状以及脚趾的运动状态均有贡献。

图2 Autumn研究壁虎黏附的奠基工作

  一般来说,壁虎脚趾强大的黏附力与其快速可逆的黏附状态似乎是矛盾的。强大的结合力必然会导致分离过程的困难,但是壁虎却可以轻松得实现强大的黏附与快速脱附一体化。通过对壁虎脚趾进行建模与力学分析,研究者们发现壁虎脚趾的贴合,弯曲、形变、脱离过程将会导致其表面的多级分形微结构与基底产生类似“撕胶带”的剥离过程。在不同的剥离角度下,黏附力的表现数量级能够跨越几个数量级。这就通过机械形变实现了黏附力原位的可逆变化,造就了强大的黏附与快速简单脱附的统一。

图3 脚趾的机械形变在壁虎可逆黏附中的作用。(a-f)宏观-微观的壁虎与壁虎脚趾形貌。(h,i)壁虎脚趾剥离模型。

  基于壁虎的这些研究成果,科学家们开发出了大量的表面结构化的黏附器件。但是,壁虎无法在水下进行攀爬,主要原因是在湿环境中,界面处的水膜将会阻止壁虎脚趾与基底的良好接触,导致范德华力等相互作用无法给予壁虎帮助,导致黏附失效。因此,科学家们利用学习自然,超越自然的理念,对仿壁虎脚结构化黏附器件行进表面化学改性,可以大大提高壁虎脚黏附器件在水下的应用范围。同时,引入与壁虎脚趾类似的机械形变能够增强可逆、可切换的黏附行为。

  基于此,最近,亚博网站手机版固体润滑国家重点实验室研究团队在此研究课题上取得了重要进展,科研人员成功制备得到具有机械响应自剥离特性的智能壁虎脚黏附材料。具体而言,研究人员通过耦合表面微结构(蘑菇状硅弹性体)、界面黏附化学(邻苯二酚基湿黏附共聚物胶)和材料机械形变(响应性水凝胶),开发了一种对温敏性仿生多层智能黏附器件(SPSA),动态机械变形诱发界面接触状态变化,进而实现了水下黏附可逆调控。

  研究人员通过使用界面软接触黏附力仪测量系统原位表征了SPSA器件与基底表面的动态接触过程,成功捕获到接触界面的裂纹扩展和剥离边界演变过程。通过黏附力测试与接触力学分析,发现SPSA能够在干态、湿态环境下通过本体材料的机械变形引发的剥离机制实现黏附力的可逆调控。并且,黏附力与形变曲率半径的关系是0.5的标度律,且SPSA可在干态与湿态条件下连续可逆循环使用20次以上。    

  研究人员将具有光热响应特性的纳米粒子整合到器件中,所设计的器件能够在近红外激光的辐照下成功实现与壁虎脚趾类似的接触贴合、形变剥离、脱附的过程,并用于水下物件的抓取与转移。  

图4 表面结构、界面化学、机械形变耦合设计水下黏附器件

  该研究工作得到了国家自然科学基金、中科院青年创新促进会以及中科院国际合作局对外合作项目的支持

  

  参考文献:

  1. Autumn, K.; Hansen, W., Ultrahydrophobicity indicates a non-adhesive default state in gecko setae. Journal of Comparative Physiology A 2006, 192 (11), 1205-1212.

  2. Autumn, K.; Liang, Y. A.; Hsieh, S. T.; Zesch, W.; Chan, W. P.; Kenny, T. W.; Fearing, R.; Full, R. J., Adhesive force of a single gecko foot-hair. Nature 2000, 405 (6787), 681-685.

  3. Autumn, K.; Sitti, M.; Liang, Y. C. A.; Peattie, A. M.; Hansen, W. R.; Sponberg, S.; Kenny, T. W.; Fearing, R.; Israelachvili, J. N.; Full, R. J., Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2002, 99 (19), 12252-12256.

  4. Huber, G.; Mantz, H.; Spolenak, R.; Mecke, K.; Jacobs, K.; Gorb, S. N.; Arzt, E., Evidence for capillarity contributions to gecko adhesion from single spatula nanomechanical measurements. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2005, 102 (45), 16293-16296.

  5. Song, Y.; Wang, Z.; Li, Y.; Dai, Z., Electrostatic attraction caused by triboelectrification in climbing geckos. Friction 2020, 1-10.

  6. Izadi, H.; Stewart, K. M.; Penlidis, A., Role of contact electrification and electrostatic interactions in gecko adhesion. Journal of the Royal Society Interface 2014, 11 (98), 20140371.

  7. Singla, S.; Jain, D.; Zoltowski, C. M.; Voleti, S.; Stark, A. Y.; Niewiarowski, P. H.; Dhinojwala, A., Direct evidence of acid-base interactions in gecko adhesion. Science Advances 2021, 7 (21), eabd9410.

  8. Tian, Y.; Pesika, N.; Zeng, H.; Rosenberg, K.; Zhao, B.; McGuiggan, P.; Autumn, K.; Israelachvili, J., Adhesion and friction in gecko toe attachment and detachment. Proceedings of the National Academy of Sciences 2006, 103 (51), 19320-19325.

  9. Zhang, Y.; Ma, S.; Li, B.; Yu, B.; Lee, H.; Cai, M.; Gorb, S. N.; Zhou, F.; Liu, W., Gecko’s Feet-Inspired Self-Peeling Switchable Dry/Wet Adhesive. Chemistry of Materials 2021, 33 (8), 2785-2795.

  来源:亚博网站手机版

  原文链接:

未经亚博网站手机版书面特别授权,请勿转载或建立镜像,违者依法必究
亚博网站手机版|yobo体育app|官方下载