仿生表面微结构在摩擦学领域取得新进展

<正>经过35亿年的进化,自然界生物体表形成了许多结构奇妙、性能优异、功能丰富的表面织构,为摩擦学研究者提供了极佳的表面仿生设计素材。出于对蝾螈攀爬行为的好奇,南京航空航天大学的研究人员首次对其脚掌微观结构进行了观察,研究了柔性材料表面微结构在湿润环境中的摩擦学行为,探讨了织构的作用机制。该文章发表在《Bioin-     

表面接枝仿生聚合物刷的润滑性能研究进展EI北大核心CSCD

关节软骨表面刷状的水溶性生物大分子赋予了人体关节优异的润滑性能。受此启发,表面接枝仿生聚合物刷被广泛研究,已经成为改善材料表界面润滑性能的有效手段。然而,目前依旧缺乏关于仿生聚合物刷提高润滑性能研究进展的综述研究。先介绍物理吸附和化学键合两种接枝仿生聚合物刷的表面修饰方法,并比较它们在改善表界面润滑性能方面的优缺点。然后详细论述三种带有不同电荷的仿生聚合物刷(中性聚合物刷、聚阴/阳离子刷和聚两性离子刷)的结构及其对润滑性能的调控作用,探讨其摩擦界面的润滑机制,并总结在构建高润滑性能表界面方面的最新研究进展。最后展望仿生聚合物刷在生物界面润滑领域的未来发展趋势。相关讨论可以为开发具有优异润滑性能的新型仿生材料提供参考。     

基于多相界面的小尺度磁控仿生机器人研究进展

小尺度机器人能够在狭窄的空间内运动并完成微操作,在生物医学工程(如药物靶向递送、微创手术)、环境保护、灾难救援等领域具有重要意义.以仿生工程为起点,综述了在液-气界面、固-液界面、固-气界面运动的昆虫及其他小型动物的界面行为,分析发现了这些行为的机理,发现润湿、动态粘附、可调节的各向异性摩擦等性质对小型动物的运动特性具有决定性作用,归纳总结了小型动物的界面行为在机器人小型化过程中潜在的利用价值.围绕小尺度磁控机器人,重点阐述了其运动机理、制备技术以及控制方法.其中,磁控机器人的运动机理主要包括磁梯度推进、螺旋推进以及摆动推进等.光刻技术、3D打印以及模具成型方法被广泛研究和使用,其中3D打印技术在小尺度磁控机器人制备中越来越重要.机器人的控制方法根据是否建模,可分为有模型和无模型的控制方法.最后,结合提出的生物启发灵感,分析了机器人在表面优化、形态设计、加工制备等方面潜在的创新空间,并对通过界面技术提升磁控机器人运动性能的愿景进行了展望.     

离心泵仿生微结构叶片减阻特性的仿真研究

目的 通过在离心泵叶片表面布置仿生微结构实现离心泵的减阻，并获得仿生微结构的最优化设计参数。方法 研究利用仿真模拟的方法，采用离心泵的扭矩变化对其减阻性能进行表征，考虑了仿生微结构的形态、截面形状和特征高度等结构参数的影响规律，通过分析叶片表面的湍流动能、剪切应力和近壁面层的速度云图揭示仿生微结构对离心泵减阻特性的影响机理。结果 在3种微结构形态中，流向沟槽的减阻效果最好;在3种截面形状的微结构中，矩形截面的减阻效果最好;离心泵减阻率并非随微结构特征尺寸单调变化，而是存在最优值;所有微结构的减阻率均随着流量的增加而增加。当叶片表面布置流向、矩形沟槽时离心泵具有最优的减阻效果，且在全流量工况范围流向矩形沟槽结构的最大减阻率为8.39%。结论 叶片表面微结构的布置可以实现离心泵减阻，其减阻机理与近壁面流体流动行为有关。表面微结构可有效降低叶片壁面的速度梯度，使速度沿壁面法线方向过渡更加均匀，且微结构内部低速流体层可有效控制和减弱近壁面区的湍动程度，减少湍流动能损耗;同时微沟槽内的反向涡流具有类“滚动轴承”作用，将滑动摩擦转换为滚动摩擦，降低摩擦阻力。     

仿生织构图案的设计、加工及应用的研究进展

表面织构在提升零件的耐磨性、界面接触的减摩性、材料表面的减阻性以及增强或降低材料的吸附性等方面展现出良好的效果.根据表面功能的不同,分别从耐磨表面、减阻表面、疏水表面、粘(脱)附性表面进行研究,综述了各种仿生织构的设计、加工及应用现状.研究发现,耐磨仿生织构图案尺寸相对较大,多在20μm以上,稳定的结构可以承受较大的外力;减阻疏水表面具有细微的突起状结构,能有效地通过微结构改变表面力学性能;粘附性表面得益于生物体微结构的形状尺寸,毛状微结构拥有良好的吸附性.加工方式上,激光刻蚀能精确控制加工尺寸和几何形状,化学刻蚀能得到更细微的表面形貌.仿生织构在机械密封、活塞环、刀具、滑动轴承及齿轮等应用上起到了良好的效果,但是截至目前,表面仿生织构研究较杂,并且未形成体系,相关设计和作用机理并不完善.通过分析仿生织构图案的功能性设计、多尺度复合加工和对零件服役性能的影响,为仿生织构图案的设计提供思路和更加科学的设计方法,并找到适合每种功能表面的加工技术.将仿生学应用于织构技术上,从生物体借鉴优良的功能特性,以期在工程上得到更广泛的应用.     

基于表面微结构复制与润湿性调控的水下仿生防污技术研究进展

海洋生物污损会对人类海洋活动和海洋工业产生诸多不利影响，传统使用有机锡或金属离子杀生剂的防污策略会导致环境污染与生态系统的破坏，大自然生物有机体所展示的天然抗粘附机制为绿色防污材料研发带来新的灵感。受生物表皮物理结构及仿生防污机制启发，本文从生物表皮微结构研究入手，综述了仿生微结构复刻与表面润湿性调控两种水下仿生防生物污损策略的研究进展，并展望其前景。     

表面动态脱水仿生技术及其应用

应用于空中、陆上、海上及深海的一些重要装备关键构件表面的附着水严重削弱了其自清洁、防污抗锈蚀等特殊性能.利用基于仿生策略研发的表面快速脱水技术,可高效、实质性地剥离表面黏附水,具有重要的现实意义.总结了现阶段关于表面脱水的研究进展、科研趋势及应用局限性,从自然界中生物对润湿现象的优异控制行为与功能原理出发,概述了水的动、静态界面现象及其机理,重点阐述了三相接触线"去钉扎"(De-pinning)理论、接触时间等因素对表面水的动态剥离所起的决定作用.以黏附水在脱离表面时是否存在额外能量消耗,将脱水行为分为"被动脱水"和"主动脱水"两大类,归纳了表面的动态脱水行为及应用优劣势.概括了荷叶、鸟类羽毛等被动润湿控制行为与表面刚度、特殊宏观纹理、倾斜角度对表面脱水、固液接触时间的积极影响及应用研究.在此基础上,进一步总结翠鸟、蜂鸟、蚊虫、哺乳动物在其主观意识下的晃动、高速移动等主动脱水行为的功能原理,列举了采用动力装置驱动表面实现移动、振动脱水效果的仿生应用研究进展.最后,探讨并展望了应用移动、振动等仿生运动诱导,结合表面超疏水性、各向异性等优异特性协同的脱水策略,利用"仿生主动脱水"与"被动快速脱水"有机结合,实现表面水体实质性脱附的优缺点及其应用前景.     

仿生织构类型及其对表面摩擦性能影响

随着经济的发展,机械加工零件表面的减阻耐磨及抗黏等性能变得尤为重要,为了提高生产加工过程的高效性和节能性,针对零件的表面问题引入仿生织构的概念。 仿生织构是仿照生物体表特殊的纹理在摩擦副表面加工出能够实现减摩降阻润滑效果的微/ 纳结构。 介绍了多种具非光滑结构表面生物,综述了几种典型仿生织构类型,阐明了每种织构类型的摩擦磨损机理;从织构类型、结构设计和加工方法、压强分布、摩擦因数和机理分析、应用与展望等方面进行评述,对应用最为广泛的凹坑型和沟槽型织构结合实例分析其摩擦磨损性能并附以数据论证,通过摩擦因数和磨损机理判断织构的减摩降阻效果,从而进一步实现参数优化。 分析表明:仿生织构对改善摩擦性能具有重要影响,其中摩擦因数是判断摩擦性能的重要因素,加以磨损机理的深入研究,使得减阻耐磨效果较优的织构类型可大幅提高工业效率,结合工业、航天、 汽车等行业中对仿生织构的应用,展望未来仿生织构的广泛研究及在摩擦过程中性能的优化,实现织构化普及应用。     

结构仿生设计方法及其在机械领域中的应用

自然界中轻质高效的生物体结构是人类技术改进的灵感源泉,特别是生物体优异的结构、性能对工程技术的革新有借鉴意义。论文重点研究了结构仿生的研究方法及流程,分析了结构仿生在机械工程领域中的典型应用及进展,总结了结构仿生在机械领域应用中的发现问题,并展望了结构仿生的发展前景。     

基于蝶翅微结构的高速主轴冷却水套仿生热结构设计

内置电机作为高速电主轴的主要发热部件之一,在实际工况中,其发热量会影响电主轴的回转精度。为了提高电主轴冷却水套的冷却效率,以自然界中闪蝶翅膀微结构的几何模型、结构功能和位形关系等为参照,结合结构相似理论设计一种具有双层包覆性特点的新型蝶翅仿生冷却水套。基于流体动力学及热传导特性理论,对仿生冷却水套及原始螺旋冷却水套进行流固耦合及共轭传热特性的仿真对比分析。结果表明：当冷却水的雷诺数和强迫对流换热面积相同时,电主轴仿生冷却水套的冷却效率和流动特性均优于原始的螺旋冷却水套,其中内置电机的定子热边界面最高温度降低了8%～11%;仿生冷却水套的冷却水最大流速为0.328 m/s,出入口的最大压降是478.6 Pa,相较于螺旋水套在流动特性方面都有很好的提升,对冷却水套结构设计和高速电主轴驱动电机共轭传热提供了参考。     

仿生微纳结构抗菌表面研究进展

介绍了天然抗菌微纳结构的特点及抗菌效果,从灵感来源、基底材料、构建方法、表面特性和结构、抗菌效率六个方面,总结了利用不同技术模拟蝉和蜻蜓的翅膀、蛾眼和壁虎皮肤微纳结构的仿生研究进展。阐述了材料表面微纳结构的形貌和粗糙度对抗菌效率的影响,发现具有多层次、间隔紧密、尖锐纳米柱结构的表面对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌均表现出较强的抗菌活性。微纳结构抗菌表面与细菌相互作用,破坏细胞壁/膜,导致细菌死亡,该抗菌机制是物理机械性的,避免了细菌耐药性的产生。该综述为今后仿生微纳结构抗菌表面的发展提供了理论基础,并提出了未来的研究思路和发展方向。     

仿生防冰表面研究进展

飞机、风电设备和输电线路等覆冰会降低工作效率,造成财产损失,严重时甚至威胁人民生命安全.仿生防冰表面具有低能耗、低污染等优点,成为国际研究热点.首先概述了仿生防冰表面的概念,根据作用机理将仿生防冰表面分为超疏水表面和超润滑表面.分别详细地介绍了两种防冰表面的防冰机理、仿生对象及制备技术.超疏水表面改变水的润湿状态,延迟水滴结冰,减小冰粘附强度,其仿生对象包括荷叶、水稻叶等,其制备技术包括光刻、等离子刻蚀等自上而下方法,及喷涂、化学气相沉积等自下而上方法.超润滑表面将固-气-液界面作用时的空气层替换为液体层,增强润滑,减小冰粘附,其仿生对象包括猪笼草、箭蛙皮肤等,其制备技术主要为多孔制备方法.随后介绍了仿生防冰表面技术的发展趋势.在保证表面疏水/冰性能的同时,直接或间接增强表面的稳定性和耐久性,构建具有良好环境适应性(如超双疏、柔性、透明、自清洁等)与防冰结合的多功能融合表面,是未来仿生防冰表面的重要发展趋势.最后,对当前仿生防冰表面的发展和挑战进行了展望.     

钛表面自组装硅烷化对仿生矿化性能和细胞增殖的影响

通过自组装技术以3-氨丙基三乙氧基硅烷为主要成分的有机溶液对纯钛进行表面改性处理,进一步将改性处理后的样品浸泡在模拟体液中仿生矿化处理,利用全反射红外光谱、扫描电镜和X射线衍射研究矿化处理前后样品的表面形貌与结构特征;将人骨髓间充质干细胞(HMSCs)种植于改性处理前后样品表面,利用四甲基偶氮唑盐微量酶反应比色法(MTT法)和扫描电镜观察细胞在改性前后样品表面的黏附、生长和增殖行为。结果表明,仿生矿化处理后,样品表面有类骨磷灰石生成,其钙/磷比为1.3;与纯钛相比,自组装硅烷化处理样品表面HMSCs的黏附率高,增殖效果明显。     

浸润性表面液滴定向输运研究进展

概述了固体表面润湿性等理论基础,随后重点综述了浸润性表面液滴定向输运的研究进展.浸润性表面液滴定向输运的驱动力主要来源于仿生结构或外场作用.其中对于仿生结构自驱动研究,概括总结了以蜘蛛丝、猪笼草和松针等自然界生物为仿生对象,依靠拉普拉斯压力差或表面能梯度实现液滴定向输运的相关研究,随后分析了其输运原理和优缺点,总结了其驱动力来源与理论公式.对于外场作用,其刺激源主要包括磁场、光场、电场、温度场和表面振动等,其中磁场作用力可以来源于液滴内部、液滴表面或液滴外部,光场主要包括近红外光、紫外光和可见光,电场主要包括静电吸引、静电排斥和电场间接作用等,温度场主要由蒸汽诱导、表面形变诱导以及热毛细作用诱导等,表面振动主要包括水平振动、垂直振动和声表面波作用等.接着基于不同输运原理分析对比了五种外场作用下液滴定向输运的特点.最后总结了浸润性表面液滴定向输运研究领域中存在的问题并展望了未来发展方向.     

Biologically inspired design

This paper reviews research on biologically inspired design, and has three main parts. The first part surveys examples relevant to three groupings of manufacturing research. The second part presents general methods that support biomimetic design, including different approaches for the steps involved in identifying and applying relevant biological analogies for any given problem. The third part details examples that illustrate the use of a general biomimetic design method, which identifies analogies from natural-language biological information. Finally, insights and conclusions are drawn and synthesized.     

人工关节与仿生软骨材料的表面改性及其摩擦学研究进展

对患有严重关节疾病的患者进行人工关节置换手术,是临床上有效的治疗方案.现有的人工关节及仿生软骨制作材料主要以金属、陶瓷、聚合物材料及强韧水凝胶等为主,然而在苛刻的关节负载摩擦剪切环境下,上述材料均面临着一个共性技术问题——表面磨损严重,进而影响其使用寿命.因此,利用表面改性技术和仿生学材料设计理念,制备具有"低摩擦-高承载-长耐磨"功能一体化的新型人工关节具有重要的实际意义和工程价值.首先总结了金属、陶瓷、聚合物基硬质人工关节材料的研究和发展历程,并阐述了不同表面改性技术在提升硬质人工关节材料表面润滑和抗磨性能方面的优势.进一步,详细介绍了近年来以水凝胶基材料为代表的新型仿生关节软骨润滑材料的最新研究进展,具体包括高性能本体水凝胶与水凝胶软骨材料的表面改性,从承载和抗磨角度,强调了仿生层状结构化水凝胶材料作为新型关节软骨替代物的潜在优势.此外,结合国际上生物润滑领域最新动态,系统概述了在天然骨组织和硬质人工关节材料表面键合水凝胶润滑涂层这一新兴研究方向.最后,从材料仿生学设计和表面水润滑改性两方面,提出了新型人工关节材料未来的研究重点和发展方向.     

Bio-inspired functional surfaces for advanced applications

Over millions of years, biological subjects have been in continuous combat with extreme environmental conditions. The fittest have survived through continuous evolution, an ongoing process. In particular, biological surfaces, which are the active interfaces between subjects and the environment, are being evolved to a higher state of intelligent functionality. These surfaces became more efficient by using combinations of available materials, along with unique physical and chemical strategies. Noteworthy physical strategies include features such as texturing and structure, and chemical strategies such as sensing and actuation. These strategies collectively enable functional surfaces to deliver extraordinary adhesion, hydrophobicity, multispectral response, energy scavenging, thermal regulation, antibiofouling, and other advanced functions. Production industries have been intrigued with such biological surface strategies in order to learn clever surface architectures and implement those architectures to impart advanced functionalities into manufactured consumer products. This keynote paper delivers a critical review of such inspiring biological surfaces and their nonbiological product analogs, where manufacturing science and engineering have adopted such advanced functional surface architectures.     

Fabrication of biomimetic wet adhesive pads with surface microstructures by combining electroforming with soft lithography

Biomimetic adhesive pads, which include seta adhesive pads and wet adhesive pads, are compel-ling to be applied for a climbing robot. A novel approach for fabricating biomimetic wet adhesive pads with surface microstructures by combining electroforming process with soft lithography is proposed in this paper. According to the principle of wet adhesive of insects?? pads, the mechanism of wet adhesion is analyzed. Polydimethylsiloxane wet adhesive pads with surface microstructures with the width of 100 ??m and height of 25 ??m have been obtained experimentally. A series of testing experiments have been carried out to prove that microstructures on the surface of pads fabricated by the proposed technique can effectively improve the wet adhesive ability.