仿生干湿摩擦黏附器件的研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210478

摘要/Abstract

摘要：

生物在自然界的演化过程中进化出了许多独特的干湿摩擦、黏附器官来适应其生存环境。研究人员通过对自然界中典型摩擦与黏附现象的研究、认识和总结，提出了相应的仿生界面摩擦、黏附理论与模型，用于指导人工合成型智能摩擦黏附材料与器件。目前，仿生摩擦、黏附材料体系与器件的设计策略主要以表面微结构、界面物理化学相互作用以及机械形变为基础。但是，随着对生物摩擦黏附机理更加深入的了解，多策略耦合的设计理念逐渐成为主要研究方向。在此背景下，围绕表面微结构、界面物理化学修饰改性、机械形变调控的单一设计策略和多种耦合策略4部分，详细综述了近年来有关仿生摩擦黏附材料器件的最新研究进展，并分别针对单个与多策略耦合的设计理念以及其各自的优缺点进行了详细分析，阐述了这些材料与器件的创新设计原理、界面黏附性能、潜在性应用前景以及存在的问题。最后，对仿生摩擦、黏附材料与器件的未来发展方向进行了展望。该综述对表面工程、生物医学、微电子等领域的研究具有一定的指导意义。

关键词: 仿生摩擦黏附, 表面结构, 界面化学, 机械形变

Abstract:

In nature， organisms have evolved many unique dry/wet friction and adhesion organs to adapt to their living environment. Based on the deep study， understanding and summary of these natural friction/adhesion phenomena， researchers have put forward corresponding bionic surface and interface friction/adhesion mechanisms， theories and models to guide the synthesis of artificial intelligent friction/adhesion materials and smart application devices. At present， the design strategies of biomimetic friction/adhesion material systems and devices are mainly based on surface microstructure， surface/interface physical and chemical interactions， and mechanical deformation. However， with a deeper understanding of biological friction/adhesion mechanism， the design concept of coupling multi-strategies has gradually become the main research direction. In this design concept background， this paper reviews the latest research progress of biomimetic friction/adhesion devices from four parts： single strategy such as surface microstructure design， interface chemical modification， mechanical deformation control， and multiple coupling strategies. This paper also analyzes these design concepts of single and multi-strategies respectively， discussing the advantages and disadvantages of these design strategies. The innovation of different design principles， surface and interface friction/adhesion properties of these devices and their potential applications， and existing problems of them are also described. Finally， this review prospects the future development direction of biomimetic friction/adhesion materials and devices， and this review is of guiding significance to the research of surface engineering， biomedicine and microelectronics

Key words: Bionic friction and adhesion, Surface microstructure, Surface chemistry, Mechanical deformation

中图分类号:

O647

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图/表 6

图1 （a - d）壁虎及其脚趾上的疏水多级分形微纳结构［3， 5］；（e - h）树蛙及其脚掌的亲水六边形结构［12］；（i - j）章鱼及其触手的吸盘结构［14， 21］；（k - m）贻贝及其足丝蛋白［22］

Fig.1 （a - d） A gecko and the hydrophobic multistage fractal structures on its toes［3，5］；（e - h） A tree frog and the hydrophilic hexagonal structures on its feet pads［12］；（i - j） A octopus and the suckers on its tentacles［14，21］；（k - m） Mussel and its byssus protein［22］

图2 （a）壁虎与树蛙启发的梯度模量结构化表面摩擦黏附器件；（b - d）梯度模量结构化表面PDMS制备过程与形貌［33］；（e - g）蛇皮启发的结构化表面干摩擦器件光学照片与形貌［37］；（h）刺激响聚氨酯结构化表面黏附器件；（i）刺激响应黏附器件的可逆黏附行为演示［38］

Fig.2 （a） A gecko and tree frog inspired gradient modulus structured device for friction and adhesion；（b - d） The preparation process and morphology of gradient modulus structured PDMS［33］；（e - g） Optical photographs and morphology of structured surface of the snakeskin-inspired dry friction device［37］；（h） Stimulus responsive structured polyurethane adhesive. （i） Reversible adhesion behavior of adhesive devices［38］

图3 （a）多巴胺为基础的微观可逆相互作用［18］；（b）主客体识别耦合温度亲疏水响应的可逆黏附策略［19］；（c）界面吸水策略与动态调控策略耦合的可逆黏附策略［53］

Fig.3 （a） Dopamine-based surface and interface interactions［18］；（b） Reversible adhesion strategy based on host-guest interactions and thermal responsive properties［19］；（c） Reversible adhesion strategy based on interface water absorption and dynamic bonding［53］

图4 （a）仿壁虎脚趾的自剥离形状记忆聚合物器件与其贴合、剥离接触状态［58］；（b）热响应液晶为基础的弯曲形变剥离器件以及抓取释放硅片演示［60］；（c）基于Diels-alder反应的自愈合压力驱动抓取器件与抓取物体演示［61］

Fig.4 （a） Attachment and peeling states of the gecko toes inspired self-peeling shape memory polymer devices［58］；（b） The grasping and releasing demonstration of the liquid crystal based device［60］；（c） The grasping and releasing demonstration of the self-healing pressure driven grasping device based on Diels-Alder reaction［61］

图5 （a）壁虎脚表面微结构耦合本体形变诱导可逆抓取的黏附器件［62］；（b）表面微结构耦合不对称基底曲率的策略实现液滴转移［65］；（c）表面微结构耦合本体机械形变的软体机器人［67］

Fig.5 （a） A reversible adhesion device realized by the combining effect of surface microstructure and mechanical deformation［62］；（b） A droplet transfer device realized by coupling the surface microstructure and asymmetric substrate curvature［65］；（c） Locomotion of smart soft robot achieved by coupling the surface microstructure and mechanical deformation of body［67］

图6 （a）表面微结构耦合界面化学增强水下可逆黏附策略［40］；（b）近红外调控界面浸润性实现水下可逆黏附策略［42］；（c）微结构接触界面间水膜破裂产生的毛细作用用于界面摩擦增强策略［70］；（d）结构化黏性水凝胶器件［76］

Fig.6 （a） An underwater reversible adhesion strategy based on surface microstructure and enhanced by surface chemistry［40］；（b） An underwater reversible adhesion strategy achieved by Near-infrared （NIR） regulation of interface wettability［42］；（c） A friction strengthen strategy achieved by the capillary force generated from water film rupture between microstructural contact interfaces［70］；（d） Structured adhesion hydrogel devices［76］

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