基于仿生原理的幾何構型及其功能性的研究進展

譚 娜，邢志國，王海斗，王曉麗，金 國，徐濱士

(1哈爾濱工程大學 超輕材料與表面技術教育部重點實驗室，哈爾濱150001；2陸軍裝甲兵學院 裝備再制造國防科技重點實驗室，北京 100072)

生物體體表作為一種直接接觸外界環(huán)境的界面是決定生物能否適應生存環(huán)境的條件。對自然界生物的表面形態(tài)進行研究發(fā)現(xiàn)，生物因體表一些特有的形貌特征而具備一定的增加/降低黏附性、減阻以及減摩耐磨的功能。仿生學領域針對生物體體表的幾何形態(tài)的研究較多，近年來的熱點主要在于模仿生物體的表面形態(tài)，研究其具備特殊功能的機理，并試圖將其應用于面對特殊工況的工程領域[1-3]。

生物由于體表的復雜幾何形貌而具備多種功能，如吸光性、減摩性、脫附減阻性、疏水性、降噪性等。其中，利用生物體幾何形貌來制備具有超疏水性、減阻性以及耐磨性的表面，已在工程領域得到了廣泛應用。目前，仿生研究的熱點主要集中在針對自然界生物特有的功能來分析生物體適應自然環(huán)境的本質特征，以及生物體在不同環(huán)境下具備特殊功能的機制。但是，由于生物體結構復雜，其作用機制沒有形成一定的理論體系，給仿生形貌設計及對性能的影響機制分析帶來一定難度。因此，進一步對生物體體表幾何形貌進行提取分析，來研究其使生物表面具備的特殊功能的原因是十分必要的。本文針對目前仿生學研究較為廣泛的三個主要功能：生物表面的超疏水性能、減阻性能以及減摩性能來闡述其仿生原理與作用機制，明確仿生幾何學理論意義，以期能夠探索出仿生構型未來的發(fā)展趨勢，為更有效利用資源以及改善零件的性能提供一定的理論基礎。

1 仿生超疏水表面

超疏水表面是指水的接觸角大于150°、滾動角小于10°的表面。自然界的很多生物表面，如荷葉表面、蟬以及蝴蝶的翅膀等都具有明顯的超疏水特性。水滴在表面滑過，帶走了表面的污染物，使表面具備自清潔能力，這就是我們所熟知的“荷葉效應”[4-5]。荷葉表面形貌及自清潔機制如圖1所示[6]。超疏水表面因具有自清潔、抗生物黏附、流體減阻、防水、防污的功能而得到廣泛的應用，也因此引起了很多材料研究者的關注。但是，超疏水性生物表面形貌復雜，為了使材料表面具有超疏水性不僅要求水的接觸角度很高，還需水滴接觸角度有較小的滯后性，這就使得超疏水性表面形貌和制備方法的研究變得尤為重要。

1.1 仿生超疏水表面形貌

圖1 荷葉的超疏水表面形貌(a)及自清潔機制示意圖(b)[6]Fig.1 Morphology of hydrophobic surface of lotus leaf(a) and diagram of mechanism of self-cleaning(b) [6]

植物表面之所以具備超疏水的特點是因為其表面具有粗糙的幾何形貌，其特有的形貌降低了潤濕性，改變了接觸角。對荷葉葉片進行微觀結構觀察發(fā)現(xiàn)，其表面具有直徑為5～9μm的微凸體結構，且單個微凸起表面具有枝狀納米鞭毛結構，平均直徑為(124.3±3.2)nm，荷葉效應是葉片粗糙表面雙重結構與表面蠟狀物共同作用的結果[7]。疏水植物表面的粗糙度會降低其潤濕性，與同組分的光滑表面對比，超疏水表面的水滴接觸角更大[8-9]。對超疏水性表面進行結構和化學成分分析，可模擬制備各種形貌的超疏水性表面。自然界中不僅存在如荷葉表面具有超疏水、低黏附性特點的植物，也存在類似玫瑰花表面具有超疏水、高黏附性特點的植物。通過掃描電鏡對玫瑰花花瓣的形貌進行觀察，并測量樣品表面接觸角來表征其浸潤性，采用微電力學天平測試樣品表面的黏附力，分析玫瑰花花瓣微觀結構與黏附性質的關系，可以發(fā)現(xiàn)，表面的微米乳突結構是使玫瑰花瓣具備超疏水性的主要原因，而納米折疊結構則是導致玫瑰花花瓣具有高黏附力的關鍵因素。以玫瑰花瓣為模板，利用聚乙烯醇和聚苯乙烯進行兩步復形方法可以得到類玫瑰花瓣結構的高黏附性的超疏水膜。同時，還發(fā)現(xiàn)百合花和葵花等花瓣的仿生結構也具有超疏水、高黏附特性[10]。為了探究影響?zhàn)じ叫缘囊蛩兀绹砗ザ碇萘⒋髮W的Bhushan課題組[11]通過兩步復形和表面蒸發(fā)蠟質的方法成功制備出了具有黏附性差異的超疏水膜層，發(fā)現(xiàn)微結構的納米結構密度和高度值對玫瑰花瓣和仿生人工超疏水性表面的黏附性有很大的影響。不只是植物表面，生物界的許多動物表面也表現(xiàn)出超疏水的特點，如蝴蝶翅膀表面(圖2)的納米級及微米級幾何形貌構成的分層結構[12-13]，以及蜻蜓翅膜蠟質柱表面的凹槽刻紋結構。吉林大學的任露泉課題組[14]針對蜻蜓翅膀的自清潔特點進行了全面系統(tǒng)研究，揭示了蜻蜓翅膀的形態(tài)、構形、結構、材料等與其功能特性之間的內在關系。

圖2 蝴蝶表面的分層織構[12-13]Fig.2 Laminated structure of butterfly surface[12-13]

1.2 超疏水性表面制備及應用

超疏水性表面的制備研究已進行了幾十年，一般來說，微米結構和納米結構的制備手段是相同的，如模板復制、刻蝕、沉積和自裝備等都被用來制備超疏水表面[15]。其中，模板復制方法因其能夠控制表面形貌和結構而被廣泛應用，其可以制備出不同高度和面積的圓柱形、方柱形、星形凹坑、正方形、凹坑形微織構[16-18]。通過在硅表面復制環(huán)氧樹脂纖維圖案可制備出微米、納米以及分層結構的超疏水性表面，納米尺寸的結構通過自組裝烷烴而擁有分級的雙尺寸結構[19-21]。利用溶膠-凝膠法和水熱法首次制備超親/超疏水的微米級圖案，在玻璃片表面制備粗糙氧化鋁膜層，然后提拉覆蓋一層氧化鈦膜層，使膜層具備超疏水性[22-23]。不僅如此，還可以用陰極電沉積法制備氧化鋅納米柱膜層，接著利用選擇性區(qū)域光照獲得超親/超疏水圖案[24-25]。但這些制備手段并不是彼此孤立的，有時，為了得到所需要的超疏水表面可能需要幾種方法聯(lián)合，在超疏水表面制備的過程中最重要的原則是使制備過程盡可能簡單。

除了模仿植物的結構來制備超疏水表面并對其分析，還有研究者從模擬的角度入手來研究液滴撞擊表面的動力學原理。通過模擬研究不同表面潤濕性、柱狀分布及撞擊速率下液滴在Cassie狀態(tài)的動力學，發(fā)現(xiàn)小的后退接觸角意味著小的接觸角滯后性使接觸平面難以移動繼而導致液滴擴展[26]。同時，通過改變表面能繼而使表面從超疏水性變?yōu)槌H水性引起研究者們的廣泛興趣，主要通過電潤濕、光、X射線散射、動態(tài)效應、疏水界面等綜合效應實現(xiàn)超疏水性向超親水性的轉變[27]。

表面的疏水性不僅能夠顯著地影響毛細黏附力，繼而影響固體表面滑動接觸的摩擦和能量消散，而且還能夠起到節(jié)約能源和儲能的作用。因此，對自然界的生物表面進行觀察，分析并制備具有仿生結構的超疏水性表面一直是仿生學的研究熱點之一，希望探索出更有效的制備方法并將其應用于實際工程領域。

2 仿生減阻表面

很多生活在海水中的生物雖然受到水的阻力，但是卻能以較低的能量輸入在水中長時間輕快地自由移動。魚類表面能夠減少阻力，這一現(xiàn)象很早就被人們認識到，并且模仿其形狀應用到實際中。近幾十年來，人們模仿魚類減阻的功能，將其應用到如車輛、飛機、輪船和運輸管道等工程中，但是仿生魚類減阻大多數都需要額外的能量輸入和復雜的裝備[28-30]。因此，研究魚類表面的形貌和減阻機理十分必要。

2.1 仿生減阻表面形貌

眾所周知，減阻功能在輪船和飛機的設計中是非常重要的。減阻設計是一種節(jié)約能源的有效方法，但是很多減阻設計在工程應用中都有其自身的局限性。模仿鯊魚表面的條紋仿生織構，并研究其減阻功能受到人們的關注。普遍認為，鯊魚表面覆蓋著與流動方向平行的條紋，能夠降低鯊魚表皮的磨損，這種表面形貌給人們帶來啟示的現(xiàn)象被稱為“鯊魚效應”。條紋形顯微結構的減阻機理使其能夠改變流動區(qū)域的分布并且降低剪切應力[31]。根據仿生學理論，許多減阻的研究方法應運而生，在表面制備條紋織構[32-33]和其他的非光滑表面，如凹坑形、波紋形、鱗片形等[34-35]，被認為是最適合應用到實際工程領域的方法。除了鯊魚表面的條紋形結構，仿生學領域對魚鱗表面形貌的研究也較為廣泛。對魚鱗表面的結構分析發(fā)現(xiàn)，直徑5～10μm、深度1～3μm的顯微凹痕不均勻地分布在魚鱗表面，這是魚類在游泳時能夠減少阻力的主要原因，為了驗證魚鱗表面凹痕的減阻功能，通過涂層技術模擬制備魚鱗形的顯微織構，用實驗測試有無凹痕表面的摩擦力，并聯(lián)合數值模擬計算流體動壓的方法來分析魚鱗形貌的減阻效應。實驗方法和數值模擬的結果均表明，相對于光滑表面，有顯微織構的表面有較好的減阻效應(圖3)。表1為對比于光滑表面的仿生表面減阻百分比[36]。此外，鱉魚皮表面也具備溝槽形的非光滑形貌。Frohnapfel等[37]研究了鱉魚皮表面，并將鱉魚皮表面溝槽結構進行簡化，發(fā)現(xiàn)刃形表面減阻效果最好，且溝槽之間的湍流消散率對于最后的減阻效果有較大的影響。

圖3 仿生表面與光滑表面摩擦阻力差異[36]Fig.3 Difference of frictional drag reduction between bionic surface and smooth surface[36]

表1 仿生表面相對于光滑表面的減阻百分比[36]Table 1 Drag reduction percentage of bionic surface compared to smooth surface[36]

2.2 減阻機制及應用

很多學者對鯊魚表面的減阻機理進行了分析研究，由于鯊魚在游動時具有相對較高的雷諾數，所以紊流就會發(fā)生，皮膚的阻力即外圍的剪切應力一般來說不受表面粗糙度的影響，但在鯊魚表面縱向的鱗片相對于光滑表面具備更低的外圍剪切應力。鯊魚表面的條紋形貌能夠同時以多種方式減少渦流的形成：開槽的條紋能夠引導水的流動方向、加速水在物體表面的流動速率，同時，能夠使快速流動的水到達物體表面，減小了速度的差異[38-40]。Tian等[41]用數值模擬的方法對仿生幾何形貌減阻的機制進行研究，得到了相似的減阻機制，該實驗是在低速風的洞穴中進行，非光滑表面形貌降低了邊界層的速度、紊流，同時使邊界的動力層變薄。

鯊魚表面的仿生織構研究已經被應用到實際的工程領域。基于條紋結構減阻的特點，鯊魚條紋安全觸摸的理念被提出，其是一種防護細菌污染的新方式，被證明能夠阻止80%的細菌污染，這種表面結構被應用于易感染細菌的領域，如衛(wèi)生間，門把手等[42]；由鯊魚表面形貌激發(fā)的減阻作用已經被應用到泳衣材料中。泳衣緊貼運動員的身體，由于其挨著皮膚的湍流潤濕作用和減阻作用使運動員擁有較大的優(yōu)勢[43];此外，仿生減阻功能還被應用在航天領域，如在飛機機翼制備條紋形形貌可以減小空氣阻力，節(jié)約能源。因此，仿生減阻功能表面的制備及機理還需要做進一步的研究，賦予其更多的工程應用價值，以達到節(jié)約能源、保護環(huán)境的作用。

3 仿生減摩表面

對于仿生織構化摩擦學的研究開展得比較深入。通過對蜣螂等動物體表的研究發(fā)現(xiàn)，這些生物之所以具有良好的抵抗磨損的性能，是因其表面具有非光滑的幾何形貌。而對于機械零件來說，改善其摩擦學性能對于延長其壽命至關重要，因此很多學者將織構化圖案應用在零件表面，并對其減摩機制進行研究，其中，織構化自身的參數(如形狀、間距、密度、深度等)均對摩擦學性能產生影響。

3.1 織構化圖案減摩機理及影響因素

表面織構能夠減摩的主要原因：在干摩擦條件下，表面織構能起到容納磨屑、增加接觸面積的作用，改善因磨粒造成的磨損；在流體潤滑作用下，由于摩擦副的相對高速運動，無織構表面的潤滑油會被甩出，且產生的磨粒會增加表面的磨損，而織構化表面能起到存儲潤滑油的效果，在一定程度上補給潤滑油，對摩擦副提供持續(xù)潤滑，進而改善摩擦副的潤滑狀態(tài)，提高摩擦性。很多研究者從不同的角度對表面織構化的摩擦學性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)表面織構的幾何參數主要影響物體表面的摩擦性能。幾何參數包括織構大小、表面形狀、間距、深度、面積及密度等，其中，織構尺寸和深度的比值以及表面織構的分布對摩擦性能的影響較大。如采用局部織構可比全面織構提高耐摩擦磨損性能，同時可降低織構成本[44]。為了對比不同溝槽寬度、不同載荷下有無織構表面的摩擦學特點，對316L不銹鋼溝槽型織構的摩擦學特性進行了研究，分析了其摩擦學系數曲線，發(fā)現(xiàn)不同溝槽寬度的表面織構摩擦副的減摩性能有顯著差異；對于溝槽寬度來說，存在減摩特性最優(yōu)的結構參數值[45]；微凹坑相對位置變化對表面減摩具有很大的影響，選擇合適的微凹坑相對位置形式可以進一步提高表面織構的減摩性能[46]；同時，通過實驗和數值模擬研究了混合流體潤滑條件下微織構的摩擦學性能，利用模擬手段預測了在外加載荷不變的情況下降低表面磨損的織構參數，然后用實驗方法驗證發(fā)現(xiàn)，實驗結果符合模擬的趨勢，合適的深徑比能夠有效提高表面的摩擦學性能，與光滑的表面對比發(fā)現(xiàn)織構化表面能夠降低80%的磨損量[47]。影響織構化減摩性能的參數較多，因此，需要更加深入地研究各個影響因素減摩的機理，從而制備最優(yōu)化的織構化圖案。

3.2 仿生織構化表面改性的應用

仿生織構化減摩性能被廣泛應用于計算機硬盤、軸承、機械密封等領域，同時也發(fā)展了很多制備織構的方法，如離子刻蝕、化學刻蝕、激光加工技術等，其中，激光加工技術是近期發(fā)展起來的，因易操作、無污染、不改變材料的化學性能等優(yōu)點，被廣泛應用。

激光過程可以對多種材料實現(xiàn)織構化處理。Bathe等[48]和Teker等[49]利用Nd:YAG脈沖激光對100Cr6鋼表面進行織構化處理，制備圓形及網格形表面織構，研究了不同織構密度對材料摩擦性能的影響；Chen等[50]在3Cr2W8V，H13和HD三種材料表面制備不同間距的條紋織構，并與光滑表面對比，考察磨損量的變化，研究發(fā)現(xiàn)，與光滑表面相比，有條紋織構的表面磨損量較小，織構表面的耐磨性隨著條紋間距的增大而降低，并且發(fā)現(xiàn)HD的耐磨性是三者中最好的(圖4)。為了得到性能優(yōu)異的表面，通常會聯(lián)合多種制備方法在材料表面制備織構化圖案，Dobrzanski等[51]用脈沖激光方法在太陽能電池多晶硅表面制備織構，發(fā)現(xiàn)激光處理后，加工過的材料的頂層產生很多缺陷，破壞了太陽能電池的性能。為了減少激光后處理帶來的缺陷，提高太陽能電池的使用效率，利用激光處理和化學刻蝕聯(lián)合作用能夠有效提高多晶硅太陽能電池的使用效率。同時，國內很多學者也將織構化圖案與其他方法聯(lián)合來研究材料的減摩性能。清華大學的邵天敏課題組[52]將織構化圖案與固體薄膜相結合，對其作用機理及制備方法進行了深入的研究，并對其未來的發(fā)展趨勢進行了總結與展望。

圖4 不同間距條紋織構的磨損量[50]Fig.4 Wear mass loss of different groove distances[50]

此外，研究者還通過改變不同的激光參數來研究不同密度、不同直徑及深度的織構化圖案對涂層結合強度的影響，Costil等[53-54]研究了激光的頻率、脈沖次數及能量對織構化深度及直徑的影響，織構化圖案表面的掃描圖片如圖5所示。并研究了織構化表面的圓形凹坑深度、表面粗糙度及韌度隨著脈沖次數的變化，發(fā)現(xiàn)凹坑深度及韌度會隨著脈沖次數的增加而增加，而粗糙度會有所下降，如圖6所示[53]。但是對于織構化圖案與涂層的相互作用仍有待于進一步研究。

圖5 激光功率17.3W、頻率20Hz下織構化界面圖[53-54]Fig.5 Optical microscopy of textures interface with P=17.3W and 20Hz[53-54]

圖6 凹坑深度、表面粗糙度及韌度隨脈沖次數的變化[53]Fig.6 Evolution of the depth of the hole, surface roughness and toughness as a function of the laser power [53]

綜上，基于仿生原理的幾何構型及其功能性的研究具備相同的研究思路。即以自然界的生物為原型，研究其在生物環(huán)境中因表面的幾何構型而具備的特殊功能，并模仿提取圖案形狀，在材料表面制備，進行實驗研究，探索其具備特殊功能的機理。但是，不同功能性的研究具備各自領域的特點，如表2所示。

表2 不同功能性仿生圖案對比Table 2 Contrast of bionic patterns with different function

此外，通過仿生學的深入研究，不僅將仿生圖案應用于改變材料表面的疏/親水性、減阻能力、減摩耐磨性，還將其應用于光學設計、納米材料制備、納米圖案設計、節(jié)能環(huán)保材料制備、高強度材料和纖維的制備、自愈合材料的制備等。

4 結束語

仿生學已經在節(jié)約資源、提高材料壽命、解決工程領域的難點等方面發(fā)揮有利的功效。雖然基于生物功能的仿生織構化研究已經取得較大成就，但是關于其制備方法及機理的研究還有待進一步發(fā)展：(1)仿生學理論的系統(tǒng)研究。生物生存環(huán)境的復雜導致影響其功能的因素很多，因此為理論研究提供了一定的難度，應深入開展影響仿生學功能的單一因素與多因素,并從多因素中有效提取主要因素。同時，仿生學及其功能性應用涉及自然學與工程學等多學科的交叉與融合，需要完善仿生理論研究體系，以促進仿生學理論的深入發(fā)展；(2)深入開展仿生模擬技術。當前的研究方法多為對生物所具備的功能進行研究，繼而對其表面形貌進行觀察，然后模仿生物形貌，最后實驗驗證的思路，但是由于實驗方法的局限性及實驗過程存在一定的誤差，導致反饋的數據不夠精準。并且，仿生圖案種類繁多，圖案自身的參數也較多，通過大量實驗優(yōu)化為仿生學研究提供數據支持，會導致材料及能源的浪費。因此，深入開展仿生模擬技術，將仿生模擬與理論研究有機結合，實現(xiàn)仿生圖案的調控與主動控制；(3)創(chuàng)新研究仿生圖案制備方法與測試設備。微納加工技術、生物和信息技術的進步，推動了仿生圖案加工技術以及功能測試方法的進步。但是鑒于生物生存環(huán)境的復雜性，使得現(xiàn)有的測試設備不足以滿足模擬真實環(huán)境的需求，所以測試設備的研制成為仿生學深入發(fā)展的迫切要求。同時，生物的多樣性導致多維度、多尺度的仿生圖案的加工成為未來發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)有的圖案加工方式主要為化學方法及激光加工，但是化學方法會導致材料性質的變化，而激光加工的深度不能實現(xiàn)精確控制，如何實現(xiàn)不改變材料性質的精確加工與多維度圖案加工將是仿生圖案制備的一個難點;(4)仿生圖案的耦合技術。自然界的生物種類多種多樣，實現(xiàn)生物不同功能的仿生圖案復雜多樣，尺寸跨度也很大，從毫米級別到微米級別甚至到納米級別，如仿生疏水圖案多為納米尺寸，而仿生減摩圖案多為微米級尺寸，研究不同形狀、不同尺度的仿生圖案的耦合作用將成為仿生功能圖案發(fā)展的必然趨勢。應深入開展宏觀與微觀圖案耦合技術，及不同形狀圖案的耦合技術的研究以實現(xiàn)仿生圖案的多功能性。此外，仿生圖案既可實現(xiàn)增摩性又可實現(xiàn)減摩性，既可實現(xiàn)親水性也可實現(xiàn)疏水性，為揭示其規(guī)律需從理論與實驗技術方面同時研究，利用多學科理論的耦合、多種加工技術的耦合、材料與圖案的耦合進行深入而全面的研究。

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