受壁虎启发的智能粘附结构：粗糙表面粘附的新突破

为解决仿生粘附结构在粗糙表面粘附力不足及无法实时监测粘附状态的问题，研究人员开展了智能粘附结构研究，制备出结合分层仿生干粘附结构与柔性电容传感器的创新结构，该结构可增强粗糙表面粘附力并实时监测，对仿生粘附技术发展意义重大。

　　

一、研究背景

在神奇的自然界中，像壁虎这样的小生物拥有令人惊叹的能力，它们能在各种复杂的表面上如履平地，自由爬行。壁虎的这种超强攀爬能力，源于其独特的足部粘附特性，这一特性也吸引了众多科研人员的目光，促使仿生干粘附结构（biomimetic dry adhesive structures）的研究不断发展。仿生干粘附结构具有诸多优点，比如它能实现清洁无残留的物理粘附，避免了化学液体粘合剂可能留下的麻烦；粘附和分离过程迅速，且易于集成，不依赖外部场源，可与多种主动设备灵活组合，在不同环境中都能大显身手。

然而，理想很丰满，现实却很骨感。仿生粘附结构在实际工程应用中面临着重重挑战。一方面，大多数现有研究主要聚焦于光滑表面，可现实里的工程环境往往复杂得多，表面粗糙度千变万化。随着表面粗糙度增加，仿生粘附结构的有效接触面积大幅减少，导致粘附力显著下降。另一方面，监测和控制预压力，并使其维持在合适的值，对仿生粘附结构的性能至关重要。但目前在这方面存在诸多困难，比如预压力过低无法粘附，过高又可能破坏材料微观结构；而且在粘附过程中，很难直接观察到脱落状态，环境条件变化也会影响粘附力，增加了预测和监测脱落的难度。

为了优化粗糙表面的粘附效果，近年来不少研究提出了分层仿生粘附结构，虽然这些结构在一定程度上改善了环境适应性，但大多无法实时监测粘附状态。同时，将传感功能引入粘附结构的研究虽然不少，但多数研究中粘附功能只是作为传感的辅助手段，限制了粘附性能和可控性的提升。在这样的背景下，一项新的研究应运而生。

二、研究概况

此次研究由相关科研人员开展（未提及第一作者单位），他们受壁虎攀爬过程中粘附系统与神经系统协同作用的启发，致力于设计一种智能粘附结构，以解决现有问题。该研究成果意义重大，有望推动仿生粘附技术的进一步发展，为未来在多个领域的应用提供新的可能，相关研究发表于未提及的期刊。

在研究方法上，研究人员采用了多种关键技术。首先是光刻技术（photolithography），用于制作具有特定结构的模具，如反向型蘑菇状玻璃硬基板模具、带有倾斜支柱的反型腔体模具等，通过精确控制光刻过程中的参数，实现对模具结构的精准塑造。其次，利用扫描电子显微镜（SEM）对制备的结构进行微观观察，清晰呈现出粘附结构的形态特征。此外，还运用了激光共聚焦显微镜技术（laser confocal microscopy technology），获取物体表面的三维形态，准确计算表面粗糙度，为研究不同粗糙度表面的粘附性能提供了数据支持。

三、研究结果

1. 分层仿生干粘附结构的设计与优势：研究人员设计的分层仿生干粘附结构，巧妙地将倾斜支撑结构与蘑菇型顶部粘附结构相结合，通过柔性膜连接，使其能更好地适应粗糙表面。扫描电子显微镜图像显示，顶部的蘑菇型仿生干粘附结构可实现与接触表面的高密度接触，增强粘附性能；底层的倾斜支撑结构为粘附层提供可靠支持，两层紧密连接成一个整体，弯曲的柔性膜类似壁虎刚毛，有效提升了在粗糙表面的粘附效果。实验表明，该结构对光滑表面、凹面和粗糙表面的物体都有出色的粘附能力。
2. 模拟验证与性能优化：通过构建基于内聚模型和界面断裂损伤准则的粘附物理模型，研究人员模拟了分层结构的界面接触规律。模拟结果显示，在压力 - 拉伸转换过程中，分层仿生干粘附结构在粗糙表面的粘附性能优势明显，其有效接触面积比普通仿生干粘附结构大得多，最大粘附力也更高。进一步研究发现，支撑结构倾斜角度会影响粘附性能，当倾斜角度达到 40° 时，应变能、断裂能和粘附性能均达到最佳。
3. 粘附性能测试与比较：研究人员进行了对比负载 - 拉伸（LP）测试，评估该结构在不同粗糙度样品上的粘附特性。结果表明，分层仿生干粘附结构在粗糙表面的粘附性能远优于普通结构，且在复杂表面粘附测试中，普通结构几乎失去粘附效果，而分层结构仍能保持一定工作能力。此外，该结构在光滑表面的粘附力也高于多数现有研究中的仿生粘附结构。通过光学显微镜观察发现，分层结构能有效补偿表面不规则性，在受力时类似弹簧产生恢复力，增强粘附效果。负载 - 拖动 - 拉伸测试显示，分层结构的粘附稳定性出色，在多次循环粘附测试后，其粘附性能稳定，证明了该结构在实际应用中的可行性。与其他典型粘附结构和软基板粘附结构相比，分层仿生干粘附结构在不同粗糙表面的粘附性能更优。
4. 智能粘附结构的传感性能：研究人员将分层干粘附结构与电容传感器元素相结合，设计出集粘附与传感功能于一体的智能粘附结构。该结构在受压、受拉和受水平力时，倾斜支撑结构变形会改变上下极板间距，进而影响电容值，实现对界面接触状态的检测。研究发现，支撑结构倾斜角度为 40° 时，传感器灵敏度最佳，最小可检测力为 0.04N，且稳定性良好。通过监测电容值变化，可实时监测粘附力，有效判断粘附状态。此外，研究人员构建了区域化设计的智能粘附结构，利用柔性阵列传感器，通过检测不同区域电容变化，可感知接触界面的形态特征。

四、研究结论与意义

本研究成功制备了一种受壁虎启发的智能粘附结构，并介绍了其制备方法。通过实验验证，证实了分层仿生粘附结构在粗糙表面粘附方面的优越性。将分层仿生干粘附结构与柔性电容传感器技术相结合，赋予了粘附结构实时感知粘附效果的能力，且不影响其在粗糙表面的粘附性能。区域化智能粘附结构的设计，实现了对接触界面形态的敏锐感知。这一研究成果为未来在需要精确高效粘附和传感的干粘附应用领域提供了新的解决方案，对推动仿生粘附技术在工程、医疗、智能穿戴等领域的广泛应用具有重要意义。它有望解决现有仿生粘附结构在实际应用中的难题，开启仿生粘附技术发展的新篇章，为相关领域的技术革新注入新的活力。