自然界中有許多水生生物具有令人驚嘆的吸附能力，例如，章魚(yú)可以利用手臂上的吸盤(pán)在海中爬行并捕捉獵物，鮣魚(yú)可以使用背上的粘性圓盤(pán)附著(zhù)在鯊魚(yú)身上 “搭便車(chē)"，爬巖魚(yú)將它們的整個(gè)身體用作吸附系統抵御湍流的沖擊。這些生物大多具有基于負壓效應的吸盤(pán)黏附系統，盡管生物吸附器官的種類(lèi)和形式不同，但學(xué)者們在生物黏附器官表面均發(fā)現了特殊的微/納米級結構。有報道指出，這些微細結構在提高生物表面適應性、增加各向異性摩擦力等方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。為了制造出表面覆蓋微納結構的仿生黏附器件，基于立體光刻的微型 3D 打印方法越來(lái)越受歡迎。

近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的吳晅副研究員團隊受爬巖魚(yú)吸附現象的啟發(fā)，研制了一款邊緣具有分層微結構的仿生吸附器件（圖1），并從毛細力和Stefan黏附相關(guān)的角度解釋了微結構邊緣在增強粘附力所起的作用。該團隊利用新型面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch S140，摩方精密)和膠體球刻蝕技術(shù)制造了具有不同仿生特征（圖2）的仿生吸盤(pán)，通過(guò)實(shí)驗驗證了微結構形狀和規模、表面粗糙度和邊緣材料對仿生吸盤(pán)粘附力的影響。最后，團隊進(jìn)行了拉脫實(shí)驗以表征仿生邊緣的剝離行為，并說(shuō)明微結構在吸盤(pán)邊緣從基底動(dòng)態(tài)剝離中的作用。相關(guān)成果以“Enhanced Adhesion of Synthetic Discs with Micro-Patterned Margins"為題發(fā)表在《Biomimetics》期刊上。

圖1 爬巖魚(yú)生物吸盤(pán)和仿生吸盤(pán)結構：（a-e）爬巖魚(yú)生物吸盤(pán)邊緣結構；（f）仿生吸盤(pán)邊緣；（g）仿生分層微結構；（h）仿生吸盤(pán)

該研究中，團隊發(fā)現常規吸盤(pán)的吸附力曲線(xiàn)在 0–1 s 和 1.2–1.5 s 處顯示兩個(gè)峰值，在 1–1.2 s 和 1.5–1.8 s 處顯示兩個(gè)谷值。 另一方面，對于具有微觀(guān)結構的吸盤(pán)，它們在 0.5 秒后只顯示一個(gè)峰值和一個(gè)谷值（圖3）。這表明與仿生吸盤(pán)相比，常規吸盤(pán)的性能不穩定，可能由于邊緣突然從基板上剝離導致粘附力突然下降，這也很容易導致黏附完。全失效。相反的，隨著(zhù)拉力的逐漸增加，仿生吸盤(pán)邊緣的剝離平緩，粘附力曲線(xiàn)相對平滑。

通過(guò)對仿生吸盤(pán)和含水基底的界面接觸觀(guān)察，團隊發(fā)現，液體在單層六邊形結構表面產(chǎn)生了聚集，導致部分液膜厚度不均勻。然而，這種液體聚集現象并沒(méi)有發(fā)生在分層微結構的表面上（圖4）。此外，液膜在分層微結構表面出現了分層現象：初級液層沿著(zhù)六邊形凹槽流出，次級液層受摩擦粘滯力作用被困在纖維陣列間（圖5）。該團隊認為，這種現象有助于維持濕黏附狀態(tài)，增強仿生吸盤(pán)的剪切強度。該研究提出的仿生吸附器件和協(xié)同黏附策略表現優(yōu)異，在攀爬機器人和水下抓取方面極。具應用潛力。

圖5 液膜在單個(gè)分級微結構單元中的遷移過(guò)程：(a) 分層結構被液膜覆蓋；(b) 液膜開(kāi)始分離為初級層和次級層。淺藍色箭頭表示次級液層邊界，深藍色箭頭表示初級液層邊界； (c–g) 次級液膜遷移到單個(gè)二級結構上； (h) 單個(gè)分層微結構單元完。全從基底上剝離。