受蜜蜂梳啟發的剛度梯度放大彈射器，用于固體顆粒排斥

一、【導讀】

排斥異物的自然表面無處不在，對生物體至關重要。盡管許多生物體在表面能的驅動下具有顯著的液體排斥性，但排斥表面微小固體顆粒的情況卻很少見。來自香港理工大學王鉆開教授、中山大學吳嘉寧副教授團隊成以增強慣性輸出至可克服原本微觀尺度下占主導的粘附力，進而實現固體顆粒排斥。

在作者的研究中，蜂梳利用剛度梯度放大的彈射效應增強慣性輸出，以克服微觀尺度上占主導作用的粘附力，從而排斥粘附在表面的固體顆粒。進一步研制了仿生剛度梯度彈射器，并在太陽能板清潔測試中驗證了其普適性與實用性，為開發仿生異質材料、基于彈射效應的軟致動器和新型清潔機器人提供了新的仿生靈感。

二、【成果掠影】

研究團隊通過納米壓痕測試表明，梳子的剛度梯度跨越近兩個數量級，從尖端的約 25 MPa 到底部的約 645 MPa。這種剛度梯度放大了彈射效應，使梳子能夠產生放大的慣性輸出，克服了最初占主導地位的粘附力，從而擊退粘附的花粉和灰塵。研究團隊還開發了一種彈性仿生剛度梯度彈射器，并展示了其在實際應用中的潛力。相關研究成果以“Honeybee comb-inspired stiffness gradient-amplified catapult for solid particle repellency”為題發表在國際知名期刊Nature Nanotechnology上。

三、【核心創新點】

1、首次報道了蜂梳上的彈射驅動的固體顆粒排斥現象，揭示了剛度梯度放大的彈射效應，以增強慣性輸出至可克服原本微觀尺度下占主導的粘附力，進而實現固體顆粒排斥。

2、作者利用傳統均勻設計中不可能實現的固體排斥性，構建了彈性仿生剛度梯度彈射器，并與太陽能板相結合，證明了其在構建自清潔系統以用于大型基礎設施自維護的普適性及實用性。

四、【數據概覽】

圖1 蜂梳的固體排斥現象 ? Springer Nature 2023

（a）蜜蜂在覓食時用前腿梳理觸角

（b）蜜蜂天線清潔器的 SEM 圖像

（c）由密集排列的毛發組成的半圓形梳子的 SEM 圖像

（d）-（e）蜂巢固體排斥現象的光學圖像和示意圖

（f）梳理被25 μm顆粒污染的觸角后，梳子表面幾乎未受污染

（g）排斥顆粒和粘附顆粒的比例

（h）測量結果與基于重力的預測之間的粒子速度比較

圖2 彈射驅動固體排斥性的關鍵要求 ? Springer Nature 2023

（a）液體排斥性和固體排斥性的比較

（b）彈射器驅動的固體排斥過程中的受力分析

（c）直徑dp和附著力Fa以及慣性力Fi之間的關系

（d）固體排斥性所需的臨界加速度a和直徑dp的關系

圖3 剛度梯度放大彈射效應 ? Springer Nature 2023

（a）蜂巢中從柔軟尖端到堅硬底座的剛度梯度

（b）沿新鮮梳毛測量楊氏模量

（c）梳毛尖端的剛度梯度系數δ和最大加速度a以及臨界直徑dp的關系

（d）剛度梯度系數δ增強了彈性能量儲存和能量轉換時間之間的關系

（e）梳毛的位置依賴的固體排斥性能

（f）剛度梯度和空間位置影響下的固體排斥性的相圖

圖4 剛度梯度放大彈射機構在固體排斥中的應用 ? Springer Nature 2023

（a）仿生 SGC 和具有均勻剛度的對照樣品的楊氏模量

（b）基于SGC的機器人和太陽能電池板組成的自清潔太陽能系統的光學圖像

（c）基于SGC的機器人與控制樣本之間的最大加速度和排斥分數的比較

（d）采用基于SGC的機器人的系統可以產生比未受污染的系統更高的電力輸出，并且遠高于控制樣本

五、【總結】

總之，研究人員證明，蜂梳表現為一個微型彈射器，利用剛度梯度放大的彈射機制來排斥粘附在表面的固體顆粒。基于這一固體排斥機制研發的仿生清潔器可用于太陽能板等戶外基礎設施的自動維護，極大節省人力成本。這一工作也可為生物材料、功率調制以及能量轉換等領域提供仿生靈感。首先，這一軟尖到硬基的剛度梯度也見于昆蟲腿的粘附結構，可以提高粘附作用。蜂梳既需要將花粉從觸角上去除又需要排斥附著的花粉，因此在用材料梯度來增強粘附性和增強排斥性之間存在權衡，值得進一步研究。其次，盡管可調節功率輸出的彈射機制已在生物體中廣泛體現，但進一步提高功率輸出通常需要使用多個彈射器，此工作提出的剛度梯度放大的彈射機制提供了一種不需要增加額外組件的替代方案。最后，這一通過剛度梯度彈射器將彈性能轉化為動能的生物學見解也加深了我們對自然界中高效能量轉換的理解，并為開發仿生異質材料和功率放大系統提供了設計思路。

原文詳情：

Honeybee comb-inspired stiffness gradient-amplified catapult for solid particle repellency. Nat. Nanotechnol. ?DOI: 10.1038/s41565-023-01524-x

本文由尼古拉斯供稿。