仿生物體摩擦學發展現狀及應用前景

劉曉敏,趙登超,陳 亮,羅林輝

(福州大學 機械工程及自動化學院,福州 350116)

現代摩擦學是以研究摩擦學機理、理論及工程應用為主的一門新興學科[1].據統計,我國每年因摩擦問題造成資源損失高達千億元[2].為此,提高設備摩擦學性能,降低設備能源消耗,對實現國民經濟可持續發展具有重要的現實意義.

生物體捕食、奔跑、飛行等行為都離不開摩擦.為適應生存環境,生物體經過億萬年的生存競爭,進化出優異結構、組織及運動方式,能很好地適應不同的摩擦環境.例如:旗魚通過收起背鰭以減少在水中的阻力,長劍般的吻突可快速撥開水流,完美流線的形體,使其成為動物界的游泳冠軍[3];鯊魚憑借其皮膚表面的特殊紋理結構,能有效降低水中游動的阻力,大大提高其在水中的游速[4];壁虎腳掌憑借其“強黏附”和“易脫黏”特性,使其在光滑玻璃上運動自如[5];貝類長期生活在沙、泥混合的復雜環境中,進化出優異的耐磨結構,其耐磨性幾乎可與類金剛石涂層相媲美[6].因此,深入了解這些生物體優異摩擦學性能的結構、材料、性狀、原理、行為等,將其運用到工程仿生中,可以為摩擦學設計提供新的設計思想、工作原理及創新方法.

本文利用一些典型的仿生物體摩擦設計案例,對其存在的黏附、耐磨、潤滑減阻、增摩等4個方面進行工程仿生研究,為摩擦學仿生創新研究提供參考;同時,探討與分析了仿生摩擦學現階段面臨的主要問題,以便對今后相關研究工作進行展望.

1 仿生物體摩擦學特性

1.1 黏附性

黏附性是指兩接觸表面垂直分離時產生的阻力.不同生物體的黏附作用機理有所差別,例如甲殼蟲、蒼蠅、蜘蛛、壁虎等生物體腳掌上有大量剛毛與物體表面形成微接觸區,使其具有較強的黏附性能.圖1(a)為4類生物腳掌剛毛微結構掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy,SEM)[7]圖像.樹蛙對光滑物體表面產生很強的黏附力是利用毛細現象.樹蛙腳墊末端含有大量的平底六角形上皮細胞,見圖1(b)[8],通過密集填充和角蛋白纖維的定向交叉,形成納米陣列復合結構.平底六角形上皮細胞被充液槽隔離,根據樹蛙腳墊與表面間的分離狀況,充液槽自動調節寬度以便將液體擠出或吸入,達到增大或減小黏附力的作用.

章魚對水下物體的強黏附力是利用壓力差原理.在章魚觸角吸盤內,存在直徑從300 μm到幾厘米大小不等的腔室.吸盤的解剖結構包括一個開口和一個球形凸起,見圖1(c)[9].當章魚吸盤附著在水下物體表面時,肌肉的靜水機制會使吸盤形成密閉空間結構,水被吸入髖臼,在腔內形成水環.隨著經絡肌的收縮,孔口上側與髖臼中的球形凸起接觸,使腔內壓力可降至-0.168 MPa.這種與外界環境形成的壓力差使章魚在水中獲得強黏附力.

圖1 不同生物的黏附結構圖Fig.1 Adhesion structure diagram of different organisms

1.2 耐磨性

螻蛄背部和側面覆蓋有100～200 μm的長剛毛和50～100 μm的短剛毛,在角質層表面有許多刺狀微凸體結構.剛毛與刺層疊加,形成多層表面形態.這種多層表面形態可有效減緩螻蛄挖掘土壤時土壤顆粒對其體表的磨損.剛毛還能夠防止土壤顆粒對螻蛄體表的黏附.圖2為螻蛄背部SEM圖像[10].

另一種具有高耐磨性的生物為砂魚蜥,如圖3所示[11].砂魚蜥能夠快速在沙中穿梭,充分展現砂魚蜥表皮的高耐磨性及運動過程的低摩擦性.砂魚蜥表皮鱗片膠蛋白糖基化,結締組織(較軟)和角質層(較硬)組成非均質結構及鱗片間的溝槽結構是其耐磨的主要原因.其正弦波式的運動使體表周圍沙體呈黏流體,降低了在沙中運動時的摩擦力.

圖2 螻蛄背部表面SEM圖像Fig.2 SEM image of mole cricket back surface

竹子是一種天然的高機械強度和優良耐磨性的功能梯度材料.竹原纖維是竹材主要組成成分.竹原纖維按一定的取向,以同心圓的形式交替組成.寬層纖維相對于中心軸取向角在3°～10°,薄層取向角在30°～90°,大多數在30°～45°范圍內取值,這是竹子具有高耐磨性及優良機械強度的主要原因.竹子耐磨損性能還與竹原纖維的密度、相對滑動速度、摩擦方向有關.竹子表層的竹纖維密度最大,其耐磨性能最高.

圖3 砂魚蜥體表鱗片結構圖Fig.3 Structure diagram of sandfish scaly

1.3 潤滑減阻

潤滑是改善摩擦副的摩擦狀態、降低摩擦阻力、減緩磨損、提高機器運行效率、降低能源消耗的一種技術措施.許多魚類通過潤滑來減小水中的摩擦阻力,降低運動時的能量消耗,實現快速運動.

大多數魚的上皮組織分布有大量的杯狀細胞,杯狀細胞分泌的黏液含有水溶性大分子,可使魚體周圍的水從層流向紊流轉變受到明顯抑制,從而有效減小魚在水中的阻力.鯊魚表皮的定向楔槽狀鱗片具有優異的減阻性能,這種特殊的鱗片結構被認為能有效減小身體周圍水體回流引起的湍流強度,達到降低水中阻力的目的.圖4為鯊魚體表皮不同位置的SEM圖像[12].

圖4 鯊魚體表皮不同位置的SEM圖像Fig.4 SEM images of the shark different locations skin

許多植物體、細菌分泌的黏液具有超潤滑性能.莼菜黏液與玻璃表面的摩擦系數可降至0.005,形成一種超潤滑狀態.這種黏液的超潤滑機理如圖5[13]所示,黏液中的多糖分子構成納米片狀結構,在片狀結構間充滿水分子形成水化層,從而獲得超潤滑性能.蘆薈葉中含有豐富的黏液.Xu等[14]研究認為,在室溫下的粘度約為5.8 mp·s,此時的蘆薈黏液能夠作為綠色環保型的潤滑液進行使用.

圖5 莼菜黏液超潤滑機理示意圖Fig.5 Schematic of super lubrication principle ofbrazened schreiber mucilage

1.4 增摩

在某些情況下,人們希望增大物體間相對運動的摩擦力,以避免因摩擦力小造成嚴重危害.自然界很多生物體以其特殊的運動方式和身體構造,使其能夠隨環境的改變來調整摩擦力的大小.

蛇類腹部鱗片呈覆瓦狀排列,使蛇類爬行時呈現各向異性的摩擦學特性.當蛇在傾斜表面向上爬行時,蛇將腹部鱗片相對于腹面傾斜,使其與粗糙表面上的凹凸體相連鎖,增加向上爬行過程中的摩擦力.同時,摩擦力大小隨凹凸體表面相對于腹面傾斜角度的增加而增大,這一結構是蛇類攀爬時獲得足夠前推動力的關鍵.圖6為蛇爬行過程及其腹部SEM示意[15].

此外，雷可夫和約翰遜將過去的一切哲學觀統稱為客觀主義。哈澤爾(Haser)認為這種“客觀主義”只是他們為論證自己的觀點而杜撰的“假想敵”，實際上并不存在，因為他們的論述缺乏準確的引用信息，極少列舉具體的參考文獻或指出持該觀點的學者姓名。同時，雷可夫和約翰遜還多次扭曲和誤解了所謂的“客觀主義者”的觀點，對西方哲學思想也存在著諸多混淆和模糊的理解。哈澤爾還指出，雷可夫和約翰遜一方面把某些學者的觀點歸入客觀主義的范疇，一方面又多次引用這些學者的觀點來支持自己的論證，這顯然犯了論證自相矛盾的錯誤。［12］

圖6 蛇爬行過程及其腹部SEM圖像Fig.6 SEM image of snake abdominal and itscrawling process

貓科類動物能夠在全速奔跑時急轉彎,通過無聲運動捕捉獵物,這需要腳掌和地面間具有較大的摩擦力、低沖擊力.這是由于貓科類動物腳底部長有又厚又軟的肉墊,彈性十足,且腳趾末端的鉤爪能夠伸縮自如.當它們走路時,就會把鉤爪縮進肉墊里,從而減少爪與地面的硬性接觸,減緩腳掌落地時的震動,使其走路悄無聲息.另外,腳趾墊上獨特的縱向突起,配合鉤爪的伸縮,使其能夠在全速狀態下獲得足夠大的摩擦阻力,進行急轉彎.

2 仿生物體摩擦學應用發展現狀

仿生物體摩擦學特性在工程仿生方面有著重要的應用.Baik等[9]仿章魚對水下物體的吸附原理,在微米級孔的硅模具上填充聚氨酯丙烯酸酯基聚合物(s-pUA),制造出耐水性強的黏合貼片,如圖7所示,該貼片在干、濕環境中都具有很好的黏合效果.Yang等[16]仿荷葉的超疏水結構,以親水性光固化樹脂為基材,采用浸沒式表面堆積三維印刷技術,制備出具有超疏水性能的微尺度人造毛,如圖8(a)所示,并將其應用在打蛋器頭部,獲得了能夠有效避免黏附蛋白質的自清潔效果.Zhai等[17]仿荷葉的雙層表面結構,采用逐層處理技術組裝SiO2納米顆粒,形成表面覆蓋有SiO2納米顆粒的蜂窩狀聚電解質多層膜結構,并利用氟硅烷包覆這種高織構的多層表面,獲得了在水下能夠較長時間保持疏水性能的多層膜涂層材料,見圖8(b).

圖7 仿生黏合貼片Fig.7 Biomimetic adhesive patch

Liang等[18]受沙漠蜥蜴皮膚耐磨性結構啟發,利用熱爆反應技術開發出質量分數為30%的Ni-Ti-C軟相與硬相結合的復合材料,獲得比純碳鋼高46.5%的耐磨性,如圖9(a)所示.Huang等[19]仿沙漠蜥蜴體表結構,研發出上硬(1060鋁合金板)下軟(硫化硅橡膠)的仿生聯軸器材料,如圖9(b)所示.經過噴砂實驗測試,其抗侵蝕能力比普通樣品提高10%.

Asbeck等[20]通過深入研究壁虎腳掌對光滑表面的干性黏著可逆的工作機理,在分析前人提出的粗糙表面攀爬解決方案后,提出使用沉積技術制造分層黏合結構,開發出在光滑垂直表面具有較好爬升能力的仿生壁虎機器人,如圖10(a)所示.Maladen等[21]仿砂魚蜥運動方式,設計出由6個標

圖8 仿生疏水材料Fig.8 Biomimetic hydrophobic material

圖9 仿生耐磨復合材料Fig.9 Biomimetic composite material

準模塊和1個頭部模塊組成的水下機器人,如圖10(b)所示.每個模塊允許在平面上進行角度偏移,模塊與模塊間通過相同的連桿連接.每個模塊包含一個伺服電機,通過連接器與相鄰電機連接.電源和信號控制線連接到每個電機上,確保設備能夠在整個長度上運行,并在機器尾部釋放應變.該機器人通過開環控制器驅動改變每個模塊的位置軌跡,產生沿著裝置向后傳播的正弦波,從而在復雜的流體中運動.

圖10 仿生機器人Fig.10 Biomimetic robot

其他一些仿生摩擦學案例,如表1所示.

表1 部分生物仿生應用Tab.1 Partial organism’s bionic application

3 仿生物體摩擦學存在問題及應用前景展望

3.1 主要存在問題分析

仿生物體摩擦學能夠在一定程度上改善設備的性能.但由于其缺乏系統性的理論支持,也缺乏有效地從生物摩擦學特性向工程領域轉移的平臺.工程師們對仿生物體摩擦學的工程應用研究仍處于個案研究階段,且仿生效果不盡理想.

目前,仿生物體摩擦學仍有許多理論和技術性問題需要深入研究,主要概括為以下方面:

(1) 大量生物所具有的摩擦學特性缺乏關鍵科學理論的解釋.根據生物體具有優異摩擦學功能,從物理、化學、數學等多學科角度進行深入全面的研究,從生物體結構及其分布規律、所處環境及其運動方式等角度揭示其所具有摩擦學特性的原因,并從數學的角度推導出其相應的定理,為建立仿生相似性規則提供技術支持.

(2) 生物摩擦學仿生原型的獲取缺乏客觀的選擇方式和有效的評估標準,具有隨機性.結合工程仿生設計實際需求,對生物生存環境、結構形式、運動方式、尺度等進行嚴格定義,規定限制因素,提出一套嚴格的選取標準,指導選擇合適的生物原型,可以有效減輕因仿生的盲目性所造成的研發成本過高的問題,也有助于節省仿生研發時間,加快產品研發周期.

(3) 目前,生物分類方式是生物學家根據形態學劃分生物種類,這主要是側重于物種多樣性的研究.該分類方式不利于工程設計人員發掘自然界中生物體存在的優異摩擦學性能,不利于工程仿生工作的開展.為此,針對工程需求,需對生物系統進行科學分類.

(4) 生物優異的摩擦學運動特性及拓撲結構并非可以直接復制.大多數情況下,將生物系統直接復制到工程系統幾乎是不可行的,要根據工程實際情況進行適當調整.目前,仿生物體摩擦學在工程領域的仿生仍較為盲目.為此,開發并完善生物體優異摩擦性能的數據庫,建立一套生物系統向工程領域轉化的系統性理論,對仿生物體摩擦學設計實現數字化、智能化和高效化具有重要意義.

(5) 仿生物體摩擦學領域缺乏具有跨學科知識的研究人員,培養一支兼具工程學、生物學、化學等多學科交叉融合的人才隊伍,有助于加快我國仿生物體摩擦學在工程仿生領域的創新發展.

3.2 仿生物體摩擦學應用前景展望

(1) 農業機械.農業機械大多在高摩擦環境下工作,耗能巨大.改善農業機械的工作阻力,降低磨損,對實現農業機械的高效和節能,緩解全球能源和環境壓力具有重要意義.蜣螂、螻蛄、穿山甲、蚯蚓等具有優秀的減黏、降阻、耐磨性能,這對開發高效、節能的新型農業機械具有很大的啟發作用.因此,通過仿生設計,提高農業機械的耕作效率,降低農業機械的耗能是未來仿生物體摩擦學的重要發展方向之一.

(2) 環保型潤滑油.潤滑油的潤滑性能對減輕機器磨損、降低機械能源消耗起著重要的作用.隨著全球能源的短缺,機械工業對潤滑油的潤滑性能要求不斷提高.人們普遍認為,目前工業中所使用的潤滑油對自然、環境和人類不夠友好,需要尋找綠色、高性能、可替代目前使用的新型潤滑油.自然界中部分生物分泌的黏液具有超潤滑性能,開發提取出有效潤滑成分的工藝路線,需要重點研究.

(3) 航行器.減小航行器所受的流體阻力,最大限度降低航行器的能源消耗,提升航行速度是人們不懈的追求.生物所具有的流體減阻體表結構、形態及運動方式對航行器的減阻設計具有重要的參考價值.未來,從生物形態、結構、運動方式等方面進行仿生,應用于船舶、潛艇、飛機的減阻仍有很廣闊的發展及研究空間.

(4) 特種機器人.研制更多的能夠適應特定自然環境的機器人是未來的發展方向之一.如通過模仿水黽所具有的水上負重能力和快速推進能力,研發水上航行機器人,有利于海上救援和執法.模仿蛇類優秀的山地爬行能力,研發出能夠在山地、起伏不平的道路上爬行的機器人,以及模仿砂魚蜥在沙漠中的快速行進能力,研發能夠在沙漠中快速行進的機器人,對工業、軍事、生態學等方面的科研意義重大.

此外,仿生物體摩擦學在石油、化工、海洋船舶、電子、軍工等領域有著廣闊的發展及應用前景.

4 結論

(1) 仿生物體摩擦學在黏附、耐磨、潤滑減阻、增摩等方面所提供的解決方案對人類工程仿生產品設計具有重要的參考價值.

(2) 仿生物體摩擦學理論的建立使得摩擦學與生物學緊密結合.研究生物體優異摩擦學特性背后的機理,能夠極大地豐富摩擦學、數學、物理、化學、材料等多學科理論、方法和技術,進而推動現代摩擦學的發展.

(3) 開發仿生物摩擦特性研究的數據庫,建立一套由生物系統向工程領域轉化的系統性理論,為實現工程仿生產品的跨越式發展提供技術支持.

未來,仿生物體摩擦學朝著產品數字化、智能化、高效化等方向發展,這將有助于減輕工程仿生設計難度,加快工程仿生產品研發進度,為工業節能、減排,實現國家經濟可持續發展作出重大貢獻.