蛇皮非对称结构启发增阻/减阻表面的设计与构筑

闻治瑄， 辛伟闻， 徐 倩， 陈伟鹏， 周 腾，房若辰， 孔祥玉， 江 雷

（1. 北京航天航空大学化学学院, 北京 100191;2. 中国科学院理化技术研究所, 中国科学院仿生材料与界面科学重点实验室, 北京 100190;3. 海南大学机电工程学院, 海口 570228）

在自然界中， 生物为了适应生活环境而进化出种类繁多的特殊功能化表面结构. 锦蛇是一种常见的蛇类， 一般栖息于沿海低地及内陆平原、 丘陵和山区， 常见于流溪、 水稻田、 池塘及其附近地区. 其体表鳞片光滑， 然而， 体表不同部位的表皮呈现出完全不同的结构特征， 背部为花纹结构， 由方形鳞片组成， 腹部为紧密的层叠鳞片［1，2］. 这预示着锦蛇体表结构差异可能与其生活习性具有特殊的内在联系.

近年来， 受自然启发的智能材料领域快速发展. 仿生材料的最大特点是功能确定性与可设计性，科研人员从自然界提取出生物原型， 阐明其构效关系， 并进一步设计出能够有效感知外界环境刺激并迅速做出反应的新型智能材料［3～9］. 如， 荷叶表面的水滴无法铺展开， 一直保持球形滚动状. 据此现象， 科研人员通过观察荷叶的结构， 发现其表面具有微纳米复合结构以及疏水层而成就了“荷叶效应”［10，11］. 科研工作者根据这些特征设计出超疏水涂料， 将其涂到建筑表面， 在下雨时可以让雨水有效地带走表面上的灰尘， 使建筑物长期保持清洁［12］. 根据物体的不同作用方式， 可将物体的阻力分为兴波阻力、 压差阻力以及摩擦阻力， 其中摩擦阻力对运动物体的速度以及能量消耗等方面能产生重要影响. 到目前为止， 实现物体减阻的方法有气泡减阻、 弹性界面减阻、 聚合物添加剂减阻和仿生减阻［13～16］. 仿生减阻是通过向自然学习， 获得设计灵感， 包括流线型的形态、 表面独特结构和生理系统特征. 如， 研究人员通过对鲨鱼表面盾鳞结构进行仿生设计， 制备出不同截面形状的肋条表面， 并实现了减阻效果. 海豚表面具有优异的力学性能， 以此为设计思路， 研究者们制备了弹性顺应性涂层. 此外， 受荷叶“出淤泥而不染”的启发， 研究人员设计制备了仿生超疏水低表面能减阻材料［17～20］. 部分海洋生物随气候的变化需要进行迁徙， 其表皮微结构在此过程中发挥了极其重要的作用. 研究发现， 海洋生物表面可以有效地减小迁徙时所受的海水阻力， 确保其能够顺利完成迁徙［21］. 此外， 许多动物具有很强的攀爬附着能力， 它们往往利用摩擦力来传递动力和防止滑动. 科学家们以苍蝇、 蚂蚁和蜜蜂等脚部柔性表皮垫子为仿生对象， 构筑了具有凹坑式吸盘结构的仿生表面， 实现材料表面阻力的显著提升［22］. 在自然界中， 壁虎以及爬山虎等动植物通过提高表面褶皱增大与物体间的接触面积以及粗糙度来增大摩擦力与阻力. 受此启发， 研究人员发明了爬行装置， 可实现在竖直光滑的墙面进行攀爬.针尾草利用倒置钩状结构可以黏附在衣物表面， 这启发人们发明了魔术贴， 广泛应用于服装、 皮包及各种机械设备［23］. 因此， 利用仿生技术研究增摩、 增阻机理具有重要的理论意义和实际应用价值.

本文利用聚二甲基硅氧烷， 采用复形的方法成功制备出类似于蛇皮腹部和背部的表面材料， 验证了蛇皮表面增阻、 减阻机理， 有限元模拟分析结果证明了表面结构的设计实现了材料的增阻/减阻功能. 这种材料设计策略有望应用在船舶制造、 飞机蒙皮设计等领域.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

去离子水， Milli-Q， Millipore， 超纯水； 1，2-二氯甲烷， 分析纯， 北京化工厂； 锦蛇蛇皮购自北京市海淀区济安堂药店； 聚二甲基硅氧烷（PDMS， Sylgard 184， Dow Corning）、 1H， 1H， 2H， 2H-全氟辛基三甲氧基硅烷， 分析纯， 购于美国百灵威公司.

DCAT11 型动态接触角仪， Dataphysics 公司； OCA20 型静态接触角仪， Dataphysics 公司； 电子天平， 梅特勒-托利多仪器上海有限公司； ContourGT-K1型白光干涉仪， 德国Bruker公司； S-4800 型扫描电子显微镜， 日本HITACHI公司； UMT TriboLab型摩擦磨损试验机， 德国Bruker公司.

1.2 实验过程

1.2.1 白光干涉仪测试 将蛇皮平置于玻璃板上， 用手术刀片将环形的蛇皮按背部和腹部进行分离，取其中较为平整、 弧度较小的部分进行测试. 将裁下的蛇皮用高纯氮气吹净， 放在塑料培养皿中备用. 将背部蛇皮和腹部蛇皮分别粘在玻璃片上， 利用白光干涉仪进行观察. 测量时， 先将样品移至镜头下的光斑处， 通过软件操控镜头缓慢靠近样品表面， 当软件中的视野出现明显干涉条纹时， 设置镜头模式为back scan 5 μm， 扫描深度为20 μm， 点击测量即可.

1.2.2 扫描电子显微镜测试 在电镜台上粘上导电胶， 再将背部蛇皮和腹部蛇皮粘在导电胶上， 喷金处理后， 利用扫描电子显微镜进行观察.

1.2.3 静态接触角测试 在空气中测量时， 将背部蛇皮和腹部蛇皮分别粘在玻璃片上， 利用注射针头缓慢滴出2 μL水滴在样品表面， 通过自配软件拍照记录. 在水下测量时， 先将注射针头伸入水下， 将液体换成1，2-二氯甲烷， 按与在空气中测试时相同的方法进行测量和记录.

1.2.4 动态接触角测试 利用动态接触角仪对蛇皮的水黏附力性能进行测量. 将蛇皮样品贴在玻璃片上， 并将其置于测量系统的升降台上. 在铜帽上挂一滴水滴（5 μL）， 调节升降台的距离为1.8 mm， 将水滴和样品进行挤压和释放， 通过微电子天平系统记录该过程中液滴的受力变化.

1.2.5 摩擦磨损测试 摩擦磨损测试中所使用的探头为三氧化铝， 膜表面应力设置为10 mN， 传感器移动速率为1 mm/s. 利用双面胶将真实或仿生（测试时材料经过水溶液浸泡）腹部或背部蛇皮（长为3 cm， 宽为1 cm）平铺到玻璃板上， 压实后， 放置到摩擦磨损仪上进行测试.

2 结果与讨论

2.1 蛇皮表面形貌

锦蛇是最常见的蛇类［图1（A）］， 广泛分布在世界各地， 表明这种蛇的生活习性和生存本领适应了自然的选择， 锦蛇背部蛇皮由多个菱形软甲片紧密排列组成［图1（B）］， 其表面光滑、 整齐有序、 有层次感. 菱形软甲互相不重叠、 平行排列， 结构之间由软体物质连接. 菱形软甲的底角正对着毗邻的菱形软甲顶角. 菱形软甲的左下角平行对着毗邻菱形软甲的右上菱边； 菱形软甲的右下角平行对着毗邻菱形软甲的左上菱边， 依次角对角、 边对边， 排列整齐， 倾斜成行， 整体有序.

腹部蛇皮是一排角质甲片， 平滑细腻， 排列整齐有序［图1（C）］. 甲片之间互相重叠， 每一块甲片的两端与腹部背部的交界处相连， 并且分别与背部倾斜下来的菱形甲片依次连接， 二者边对边平行排列， 互不交叉重叠. 与背部蛇皮最大的差异在于腹部蛇皮的软甲是纵向排列， 并且每一片尺寸更大，宽度与蛇自身宽度相近. 蛇在运动过程中需要腹部提供足够的摩擦力， 背部尽量降低与空气及周围环境间的摩擦. 因此， 对蛇皮表面的微观结构形貌进行了研究. 本文支持信息图S1为蛇背部结构的白光干涉结果， 图中的虚线表明蛇皮背部结构明显呈现出取向性， 同时也发现蛇皮的垂直方向表现出丰富的结构， 这表明除了大尺度的取向外， 蛇皮表面还存在有更细微的结构. 因此， 利用扫描电子显微镜分别对蛇的腹部和背部结构进行观察. 结果如图1（D）和（E）所示， 蛇皮背部呈现出明显的多级结构，蛇皮呈横向取向排布， 鳞片上存在纵向取向且连贯的沟壑. 这类结构有利于水在表面的存储， 增加润滑作用， 减小阻力. 然而， 蛇皮腹部呈现出纵向密集排布［图1（F）和（G）］， 这类结构有利于高效排去表面的水滴， 减小水滴的润滑作用， 增加表面摩擦力［24～27］. 通过所观察的蛇皮扫描电子显微镜形貌， 简化构建了蛇皮背部［图1（H）］和腹部［图1（I）］的表面结构模型.

Fig.1 Characterization of surface microstructure of snakeskin

2.2 蛇皮背部腹部的浸润性以及黏附力

蛇皮是硬化的角质层， 由已经死亡的扁平角质细胞组成， 其主要成分是富有组氨酸的蛋白质. 蛇皮表面的浸润性质与黏附性质对蛇类运动的具有重要影响. 因此， 分别对背部蛇皮和腹部蛇皮的浸润性以及黏附力进行了表征. 通过静态接触角测定仪测定了蛇皮背部和腹部的接触角（CA）. 如图2（A）所示， 蛇皮背部的水接触角约为110°， 水下油接触角约为60°［图2（B）］， 表明蛇皮背部具有一定的疏水性， 且背部的水被蛇皮表面的微结构所限制， 无法有效铺展； 而腹部的接触角约为72°， 水下油接触角约为103°， 呈现出一定的亲水性， 且腹部结构有利于水的运动和铺展［28］.

Fig.2 Contact angle and adhesive properties of snakeskins

进一步利用动态接触角测定仪对蛇皮背部和腹部进行水的黏附力测试. 如图2（C）和（D）所示， 蛇皮背部的黏附力为13.7 μN， 小于蛇皮腹部的黏附力14.7 μN， 故腹部可保证一定的摩擦力， 为蛇的运动提供驱动力， 而背部则与周围环境的阻力较小， 利于蛇的快速移动. 此外， 针对蛇皮背部和腹部的摩擦磨损测试表明， 蛇皮背部的摩擦力小于腹部摩擦力， 这与上述结果一致（见本文支持信息图S2）.

2.3 蛇皮表面结构启发的增阻减阻材料的制备

PDMS是一种易于加工、 高弹性、 耐高温的材料， 常用于精细结构的复形制备， 本文选择了PDMS作为蛇皮结构的复形材料［29］. 实验中使用了道康宁Sylard 184型号双组分胶： PDMS主剂与固化剂. 通过调整PDMS主剂与固化剂的比例， 能够得到不同性质的固体PDMS材料. 本实验选择了PDMS主剂与固化剂的质量比10∶1. 首先， 称取60 g PDMS主剂和6 g固化剂， 将两个组分混合之后， 使用玻璃棒匀速搅拌15 min， 保证混合均匀. 由于PDMS主剂和固化剂都具有一定的黏度， 因此混合均匀后需要先静置， 以除去液体中由搅拌产生的较大气泡. 将蛇皮按照背部和腹部分别用双面胶粘在玻璃培养皿底部， 多余的部分用剪刀剪掉. 然后将混合均匀的PDMS前驱体混合溶液倾倒在蛇皮表面， 让PDMS完全覆盖蛇皮. 随后将玻璃培养皿放入真空干燥器中， 低压抽气30 min， 取出后放入烘箱内， 在80 ℃的恒温下熟化12 h， 最终得到具有蛇皮结构的仿生背部［图3（A）］和腹部［图3（B）］材料.

Fig.3 Biomimetic notum(A) and belly(B) composed of PDMS

2.4 蛇皮表面结构启发的增阻减阻材料的结构表征

为了验证复形的效果， 先对具有蛇皮结构的PDMS进行了白光干涉表征. 白光干涉图像表明（见本文支持信息图S3）， 复形的PDMS表面具有微结构. 进一步利用扫描电子显微镜对复形的PDMS表面进行观察. 如本文支持信息图S4 所示， 蛇皮背部复形的PDMS 呈现出多级微结构， 并具有一定的取向，这与真实的蛇皮背部相一致. 蛇皮腹部复形的PDMS呈现与蛇皮腹部一致的纵向结构. 结果表明， 成功制备了分别具有蛇皮腹部和背部结构的仿生PDMS材料， 同时证明了利用PDMS进行复形并获得具有表面微结构的方法是可行的.

2.5 蛇皮表面结构启发的增阻减阻材料的性能测试

为了验证蛇皮结构对其运动的影响， 对具有蛇皮腹部和背部结构的PDMS进行了各项性能测试.首先， 对复形的PDMS进行了接触角测试. 结果如本文支持信息图S5所示， 具有蛇皮腹部结构的PDMS表面的接触角为90.9°， 而具有蛇皮背部结构的PDMS表面接触角约为108°， 这与真实蛇皮浸润性是一致的. 这是由于蛇皮背部的多级微结构能够固定水滴， 使其无法有效进行铺展， 极大地阻止了水滴对表面的浸润， 使得背部复形表面具有更大的接触角. 接着， 对复形的PDMS进行了水黏附力测试. 如图4（A）和（B）所示， 具有蛇皮背部结构的PDMS表面的黏附力为12.0 μN， 而具有蛇皮背部结构的PDMS表面的黏附力为13.0 μN. 因此， 改变材料表面结构能够有效改变材料的浸润性以及黏附力.

Fig.4 Adhesive properties of biomimetic notum(A) and belly(B), schematic of friction measurement(C),friction measurement of biomimetic notum(D) and belly(E)

此外， 对复形的PDMS进行了摩擦磨损实验［图4（C）］以研究其摩擦性能. 通过施加相同的压力，传感器和PDMS 表面以规定的速度相互摩擦， 即可利用软件换算出传感器与PDMS 表面间的摩擦力.测试结果表明， 利用蛇皮腹部进行复形的PDMS具有比光滑PDMS更大的平均摩擦力［图4（D）］. 利用蛇皮背部进行复形的PDMS的摩擦力比光滑的PDMS摩擦力更小［图4（E）］. 这种结果是因为湿润状态背部的水分子被保留在微结构中， 提供了润滑作用， 而腹部水分子容易被排干， 无法提供有效的润滑，增加了摩擦［13］. 经过摩擦磨损测试后， 仿生材料表面微结构没有被明显破坏， 表明该材料结构具有较好的稳定性（见本文支持信息图S6）.

2.6 模拟计算验证表面微结构的作用

采用图1中的模型构筑进行模拟计算［图5（A）］. 流场用Navier-Stokes方程组描述［30］：

式中：ρ为工作介质密度；u（m/s）是速度；p（Pa）是压强；μ（Pa·s）是动力黏度系数；I是单位矩阵；F（N/m3）是体积力. 仿生蛇皮的计算域和边界条件见本文支持信息图S7. 入口和出口均采用静压， 展向方向两个壁面使用的是对称边界条件， 方程如下：

式中：n表示的是单位法向量；K为壁面黏性力. 上下壁面为无滑移边界条件， 其遵循方程：

蛇皮壁面平均速度为u=0.01 m/s， 计算域的长度L和宽度W均为10 μm， 高度H为5 μm， 工作介质为水， 其动力黏度为1.01×10-3Pa·s， 网格划分的最小尺寸为0.0268 μm， 最大尺寸为0.248 μm. 最大的单元增长率为1.1， 曲率因子为0.4.

从截面的压力图［图5（B）］可以看出， 光滑蛇皮壁面和竖直蛇皮壁面的压力几乎没有梯度变化， 整个计算域中的压力基本稳定， 腹部蛇皮壁面出现了明显的压力梯度， 其中壁面凸起处的压力最大， 因此增大壁面运动时的阻力. 背部蛇皮壁面处流体会产生一个展向涡， 在凹槽处形成的展向涡能够抑制流动中流体的展向运动， 减小运动中的流体阻力， 最终导致背部蛇皮壁面所需的牵引力最小， 腹部蛇皮壁面所需的牵引力最大. 如图5（C）所示， 箭头表示所选壁面的运动方向， 从速度场中可以看出越靠近壁面的流体速度越大， 并且流体速度随着离壁的距离增大而逐渐减小， 背部蛇皮壁面的高速流体区域明显大于光滑蛇皮壁面和横向蛇皮壁面， 这些结果与测得的实际结论一致.

3 结 论

受蛇皮表面结构差异启发， 模仿蛇皮腹部的长程有序的微纳阵列结构及背部的多级微结构， 利用PDMS材料复形设计制备了增阻减阻仿生材料. 白光干涉测试和扫描电子显微镜测试观察到了背部蛇皮和腹部蛇皮的微结构差异， 而浸润性和黏附力测试也印证了不同部位结构对性能的影响. 对复形材料进行了摩擦磨损测试， 结果表明， 两种复形材料与未功能化的PDMS相比， 分别实现了摩擦力的增加和降低. 根据蛇皮结构构建了简化的结构模型， 通过有限元仿真模拟， 证明了表面微结构的设计实现了阻力提升或阻力降低的功能. 研究结果将为减阻材料和增阻材料的设计提供灵感， 并为减阻材料应用于交通工具表面蒙皮（如飞机和高铁等）， 降低运输能源消耗以及增阻材料应用于路面设计、 轮胎制造以及摩擦发电等领域提供研究基础.

支持信息见http: //www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20230116.