表面動態(tài)脫水仿生技術(shù)及其應(yīng)用

鄭益華，張成春，孫金煥

（1.廣西科學(xué)院，南寧 536000；2.吉林大學(xué) a.工程仿生教育部重點實驗室 b.汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022；3.吉林大學(xué) 威海仿生研究院，山東 威海 264200）

表面黏附水的脫離技術(shù)屬動態(tài)過程范疇[1]，而不僅局限于提高表面的靜態(tài)疏水性。表面快速脫水是使用特定策略，結(jié)合表面非浸潤性與疏水性，誘導(dǎo)固體壁面的黏附水快速、高效脫附，最終維持固體壁面干燥常態(tài)化的前沿性技術(shù)。固體表面潤濕性是決定其如何應(yīng)用于實際工程領(lǐng)域的關(guān)鍵因素，在諸多前沿新興學(xué)科，例如表面自清潔[2]、抑菌防污[3]、防霧耐腐蝕[4]、抑冰[5]、減阻[6]等，表面快速脫水技術(shù)甚至是迫切需求。表面快速脫水技術(shù)的關(guān)鍵在于，如何盡可能去除黏附于固體壁面的水，降低固、液相間的接觸時間，并期望黏附于表面的水完全脫離。

賦予固體表面超疏水性能（或是將固體表面超疏水化）是實現(xiàn)構(gòu)件表面快速脫水的重要方式。從本質(zhì)上來看，超疏水是一種仿生概念，其發(fā)展深受荷葉“出淤泥而不染”的啟發(fā)。液滴在荷葉[7]和一些鳥羽[8-9]上可呈現(xiàn)球狀，且極易滾落（圖1a—f）。超疏水表面是一種典型的仿生材料，表面的超疏水化可顯著削弱固液間的黏附力，極大降低固液相之間的接觸面積，提升表面快速脫水的成功率。因此超疏水這一極端潤濕現(xiàn)象自發(fā)現(xiàn)以來，便一直獲得國內(nèi)外學(xué)者的青睞。近十年間，我國國家自然科學(xué)基金委（NSFC）及各省、自治區(qū)科技主管部門對超疏水（仿生）領(lǐng)域的資助成倍增長，含有“超疏水”關(guān)鍵詞的項目從361 項激增至800 項，美國國家自然科學(xué)基金會（USNSF）、歐洲研究委員會（ERC）等國外基金會資助的相關(guān)研究亦逐年劇增[10]。同時，在“Web of Science”檢索系統(tǒng)中，分析近10 年來含“Bionic*（譯為仿生學(xué)的）”關(guān)鍵詞的科研趨勢，可以清楚地看出，與仿生相關(guān)的發(fā)文量已從2011 年的238 篇，提高至2020 年的866篇。因此，仿生學(xué)理念的設(shè)計策略[11]是提高常規(guī)表面黏附水脫附效率的可靠途徑，且獲得越來越多前沿科學(xué)家們的關(guān)注與肯定（圖1i—j）。然而，在常規(guī)超疏水表面，黏附水并未從根本上得到有效去除，主要原因有：1）剛性表面在液滴撞擊后，基底無形變，無法創(chuàng)造使液體完全脫離壁面的有利條件，例如傾斜、振動等。因此縱使表面呈現(xiàn)超疏水性，在首次完成固液交互過程后，由于空氣摩擦阻力、液滴內(nèi)部能量耗散等因素作用下，表面的水滴終將回落于基底，呈現(xiàn)隨機的殘留形貌。2）在無任何能量輸入的情況下，根據(jù)能量守恒定律，即便液滴可從超疏水表面上完全回彈，但僅依靠超疏水表面，同樣不具備徹底的去潤濕與脫水能力。3）在超疏水表面去潤濕與脫水過程中，液體在壁面上的黏附能力雖然因界面的極低黏附性而得以有效削弱，但與此同時，單液滴歷經(jīng)破裂、部分回彈、分散，大量衍生次級液滴仍會沉積于基底的表面，液體分布區(qū)域反而擴大，同樣并未達到表面黏附水完全去除的預(yù)期結(jié)果。

圖1 表面潤濕行為、機理示意圖及仿生超疏水領(lǐng)域研究趨勢分析[7-11]Fig.1 Surface wetting behavior, schematic diagram of mechanism and research trend analysis in the field of bionic superhydrophobicity[7-11]

隨著材料學(xué)和仿生學(xué)的發(fā)展，近年來《Nature》系列期刊上均報道了具有極強機械穩(wěn)定性的超疏水表面，在超尖銳物體反復(fù)刮擦、強腐蝕酸堿甚至高速射流條件下，這些表面[12-13]仍能保持穩(wěn)定的超疏水性。在材料制備領(lǐng)域，國內(nèi)外對超疏水表面的研究長期集中在，制備出耐久性能卓越的表面材料并施以復(fù)雜環(huán)境變量驗證其機械及耐腐蝕性的穩(wěn)定性上。在眾多專項研究與理論綜述中，仍缺少專門利用仿生策略快速提高表面動態(tài)脫水性能的總結(jié)概括報道，仿生快速脫水技術(shù)可充分利用工程仿生學(xué)、機械工程、界面流體力學(xué)、計算流體力學(xué)等多學(xué)科交叉優(yōu)勢，從本質(zhì)上大幅提高表面的動態(tài)憎水性能。本文將從水的界面現(xiàn)象及基本理論、表面水黏附及脫附行為關(guān)鍵機理、表面被動潤濕控制的仿生功能原理、針對快速脫水的界面主動潤濕控制策略等多個方面，系統(tǒng)闡述仿生快速脫水技術(shù)的理論、應(yīng)用、實現(xiàn)途徑及前景。

1 表面潤濕及脫水行為

自從100 多年前沃辛頓（Worthington）[14]開創(chuàng)表面液體動態(tài)行為研究先河以來，表面脫水技術(shù)取得了長足進步。表面的脫水是涉及液滴動力學(xué)和兩相流的復(fù)雜學(xué)科，具有顯著隨機性和非定常性，難以定量表征。因此，為實現(xiàn)固液剝離行為的定量化描述，通常采用的手段是控制單液滴的物理性質(zhì)（例如液滴體積、撞擊速度等），并利用高速攝像實驗觀測液滴形貌演化規(guī)律或?qū)σ旱芜M行動力學(xué)數(shù)值模擬[15–17]。

1.1 水的界面現(xiàn)象及基本理論

1.2 表面水黏附及脫附行為關(guān)鍵機理

根據(jù)表面潤濕性和撞擊速度的不同，液滴撞擊在固體壁面能呈現(xiàn)出濺射殘留（親水表面）、部分回彈（疏水表面）、完全回彈（超疏水表面）等現(xiàn)象，如圖2 所示。非超疏水表面的脫水效率通常較低，液滴在鋪展或回縮過程中，表面“釘扎”效應(yīng)顯著，其內(nèi)部能量因壁面親水性等因素耗散過多，導(dǎo)致其不具備克服三相接觸線“釘扎”效應(yīng)的能力時[27]，表面會出現(xiàn)液體殘留，不能勝任脫水任務(wù)。

圖2 水滴的界面動態(tài)行為及“釘扎”效應(yīng)（Pinning effect）[21,27,33]Fig.2 The interface dynamic behavior and "pinning" effect of water droplets: a—f) various interface phenomena of droplets[33];g) motion analysis of three-phase contact line[21]; h) pinning and de-pinning phenomenon[27]

撞擊于超疏水表面的液滴普遍能夠產(chǎn)生完全彈跳現(xiàn)象，表面脫水著重于在鋪展與回縮過程中液體能從表面完全脫離，如圖2f 所示[33-34]。表面脫水技術(shù)是以超疏水表面對液體的極端排斥、維持固液間的Cassie 狀態(tài)、三相接觸線“釘扎”效應(yīng)的顯著削弱為前提，表面三相接觸線“去釘扎”（De-pinning）[27]的完成，標志著一次脫水過程的結(jié)束。其中，削弱表面對液體的“釘扎”效應(yīng)尤為重要，單液滴撞擊固體表面的動態(tài)形貌演化規(guī)律由液體物理性質(zhì)和表面的固有屬性共同決定，主要可分為鋪展和回縮（亦稱為后退）兩個過程（圖2g）。在液體脫離固體表面的過程中，三相接觸線“釘扎”效應(yīng)不斷削弱（圖2a—f，由上至下）。通常，去“釘扎”力可由式Fd=σ( cos(θr)-cos(θe))間接表達[35–37]，式中σ、θr、θe分別是表面張力、后退角、起始準平衡角。在回縮過程中，液滴向幾何中心不斷內(nèi)聚（圖2h），其接觸角與移動接觸線相互耦合。液滴具備的剩余能量之和必須大于或等于去回縮過程中“釘扎”力所做的功（絕對值），這是其能成功脫離固體表面的必要條件[38-39]。換言之，在鋪展和后退過程中，利用仿生超疏水表面穩(wěn)定的Cassie 狀態(tài)，能最小化三相接觸線“釘扎”效應(yīng)，避免過多能量耗散，維持液相的高動能，最終儲備足夠彈離壁面的能力。仿生脫水設(shè)計的靈感源于自然界內(nèi)的生物，例如荷葉、水鳥等擁有卓越疏水功能的植物或動物。通過模仿這些生物與生俱來的獨特疏水功能，賦予仿生材料表面超疏水性能，并模仿相應(yīng)的脫水行為，獲得的綜合脫水性能甚至可能超越自然生物本身。

2 仿生潤濕控制行為對表面脫水策略的啟發(fā)

在傳統(tǒng)機械振動控制范疇中[40–42]，能量消耗是衡量控制屬性的關(guān)鍵參數(shù)。若在振動控制的過程中，施加諸如致動力時，必然存在能量消耗，這屬于“主動控制”范疇；反之，自發(fā)式且不存在額外能量消耗的振動控制行為可歸納為“被動控制”。雖然“被動控制”的效果較差，但實現(xiàn)簡單，成本低廉。僅從控制效果來看，相較于“被動控制”，盡管“主動控制”需額外的能量輸入，但其具有控制效果理想、實現(xiàn)策略與途徑靈活多樣、工況適應(yīng)性極強等顯著優(yōu)點。在生物界中，對潤濕的控制源于它們趨利避害的本能，植物與動物的根本區(qū)別在于是否具有能動意識與能動性，這與傳統(tǒng)機械振動控制方式在原理上存在諸多相似之處，生物表面對潤濕的控制行為和方式也同樣能歸納為“被動控制”與“主動控制”。

2.1 表面被動潤濕控制的仿生功能原理

大雨對植物會造成巨大沖擊，尤其是直接接觸雨水的部位，例如植物葉面，它們承受的撞擊力十分巨大，巨大的沖擊甚至?xí)?dǎo)致植株破壞。因此，許多植物已進化出了卓越的功能，可在復(fù)雜多變的暴雨環(huán)境下生存。

2.1.1 植物表面的被動脫水現(xiàn)象

大多數(shù)植物在暴雨來臨時，往往不具備主動防御功能（即“被動”潤濕控制）。雖然植物不具備動物的能動性，也無法主動應(yīng)對暴雨的侵蝕，但一些特殊的植物（例如荷葉、水稻葉[23,43]等）卻可充分利用葉片表面的疏水性和特殊宏觀結(jié)構(gòu)，達到快速脫水、最大化降低雨滴沖擊損害的目的。較為經(jīng)典的研究成果始于2013 年Nature上的報道，它證實了在超疏水葉片的基礎(chǔ)上，宏觀橫紋對液滴潤濕動力學(xué)產(chǎn)生的根本性改變，誘導(dǎo)非對稱鋪展與回縮行為，與常規(guī)超疏水表面相比，接觸時間與理論接觸時間tc相比，降低53%（圖3a）。在后人進一步的研究中，發(fā)現(xiàn)多道橫紋使水稻葉具備各向異性的潤濕特性，直接改變液滴在交互過程中產(chǎn)生方向性的流動。受此啟發(fā)制備出各向異性的仿生超疏水表面，可在不改變超疏水潤濕性的前提下，利用特殊宏觀紋理，降低40%～50%的接觸時間（圖3b）。

圖3 植物葉片超疏水性與宏觀橫紋協(xié)同快速脫水（“被動”潤濕控制）[23,43]Fig.3 Synergistically rapid dehydration is attributed to the superhydrophobicity and macroscopic horizontal stripes of the plant leaves ("passive" wetting control): a) reduce contact time through redistribution of droplet mass[23]; b) the rapid drying strategy utilizes the synergy of macroscopic array structure and superhydrophobicity[43]

2.1.2 表面被動脫水的仿生應(yīng)用

在無任何能量輸入的情況下，在超疏水表面構(gòu)造特殊宏觀結(jié)構(gòu)，也可人為地大幅提高表面的被動脫水性能。較為典型的是，香港城市大學(xué)王鉆開等[44]進一步定量化地闡釋了超疏水表面含曲率宏觀陣列結(jié)構(gòu)對快速脫水的影響。在含曲率的“子彈頭”陣列上，理論接觸時間縮短80%，成功挑戰(zhàn)吉尼斯世界紀錄。而在此之前已取得普遍共識的是，單液滴撞擊在超疏水表面后，理論接觸時間tc是不依賴于液滴尺寸變化的常量。液滴撞擊在傳統(tǒng)超疏水表面會出現(xiàn)典型的鋪展、回縮、彈離，耗時為tc。但在該項研究中，液滴在經(jīng)歷短暫的鋪展后，回縮和彈離過程同步進行，這使接觸時間僅為0.2tc。在此種表面的基礎(chǔ)上，通過控制襯底的傾斜角度來促進液滴潤濕動力學(xué)的改變，已經(jīng)被證明是一種可加速水從表面分離的可靠方式（圖4a），這對仿生表面的脫水設(shè)計起到了良好的啟示作用。

通過表面宏觀紋理將液滴“劈裂”，可以分散液滴重心，使液滴質(zhì)量重分布，使液體產(chǎn)生方向性流動[45]，如圖4b 所示。表面的各向異性產(chǎn)生的根源在于陣列排布的紋理結(jié)構(gòu)，陣列結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致壁面拓撲結(jié)構(gòu)的非連續(xù)性和化學(xué)的非均質(zhì)性，形成規(guī)則變化的潤濕梯度，最終呈現(xiàn)具有方向性的潤濕行為[46]。

圖4 利用特殊宏觀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)仿生表面快速脫水[44-45]Fig.4 The rapid dehydration of the biomimetic surface utilizes multiple special macrostructures: a) the theoretical contact time is reduced by 80% on the "bullet" array with curvature[44]; b) dynamic morphology evolution of droplets on a curvature array[45]

相比能夠決定表面疏水性的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，宏觀結(jié)構(gòu)的形式、構(gòu)形和種類更能影響表面的潤濕動力學(xué)和“被動”脫水性能。從圖5 可以看出，各向異性表面的動態(tài)潤濕行為受陣列尺寸參數(shù)的控制，基于介觀尺度的格子玻爾茲曼（Lattice Boltzmann Method，LBM）數(shù)值模擬分析[47]，發(fā)現(xiàn)凹、凸結(jié)構(gòu)超疏水表面與各向異性的協(xié)同作用可降低接觸時間，且接觸時間的減少量在一定程度內(nèi)與曲率呈負相關(guān)[48]。

圖5 仿生表面曲率增強快速脫水實驗與模擬[47-48]Fig.5 Experiments and simulations on bionic surface curvature enhanced rapid dewatering: a) experimental and simulation analysis on the impact of droplets on concave and convex surfaces [47]; b) the influence of various curvatures on droplet dynamics[48]

利用表面彈性完成脫水是被動仿生策略之一，如圖6 所示。材料的彈性由彈性體的性質(zhì)決定，彈性體（Elastic body）是一種相對剛體的概念，剛體（Rigid body）是一種理想化模型，絕對剛體在現(xiàn)實中并不存在，因此不論碰撞力的大小，液滴撞擊在表面均會產(chǎn)生或多或少、可逆或不可逆的形變。蝶翅[39]、翠鳥羽毛[49]、荷葉及其他植物葉片本身并不具備能動性，但在脫水過程中，它們可借助雨滴的撞擊力和由此產(chǎn)生的彈/柔性往復(fù)形變[50]完成后續(xù)的表面脫水，盡可能維持體表或葉片的干燥。液滴在撞擊彈/柔性壁面過程中的耦合作用機制復(fù)雜，表面柔性呈非線性，且形變與液滴撞擊速度（韋伯數(shù)）密切相關(guān)，難以定量化分析。

圖6 基于表面彈/柔性的脫水策略[39,49,51]Fig.6 Hydrophobic strategy based on surface elasticity: a) the flexibility of the butterfly wing enhances the water repellency of the surface[39]; b) passive dehydration of kingfisher feathers[49]; c) test of droplet packing kingfisher feather[51]

除了試驗手段，在理論推導(dǎo)過程中，通常還將液滴和彈性基底分別視為獨立的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)（圖7）。通過代入子系統(tǒng)的等效剛度、阻尼、質(zhì)量，再推導(dǎo)出描述該系統(tǒng)的彈簧-質(zhì)量方程，結(jié)合有限元數(shù)值模擬平臺，例如開源計算流體力學(xué)分析軟件OpenFOAM[52]，對該界面過程進行機理性描述和微觀表達。研究結(jié)果表明，彈性在表面潤濕與脫水過程中不但不可忽略，而且還起到至關(guān)重要的作用。一方面，對于生物而言，表面的柔性可起到緩沖保護作用；另一方面，表面剛度及疏水性的巧妙結(jié)合可使液滴內(nèi)質(zhì)量重分布，降低接觸時間（降低8.5%）[51]，液體可以在表面以滑動脫附的形式，實現(xiàn)表面快速脫水。

圖7 液滴從彈性表面脫附的理論推導(dǎo)與數(shù)值模擬[50-52]Fig.7 Theoretical derivation and numerical simulation of droplet desorption from elastic surfaces: a) analysis of droplets hitting elastic beams[50]; b) establishment of droplet-elastic coupling model[51]; c) numerical simulation of droplet impacting on elastic wall[52]

2.2 針對快速脫水的界面主動潤濕控制策略

2.2.1 生物表面動態(tài)潤濕控制及主動脫水策略

雖然以自清潔為代表的荷葉表面具有卓越的憎水性，且水在與超疏水表面交互過程中的能量耗散極低，但從能量守恒的原理來看，撞擊后的液滴雖歷經(jīng)多次往復(fù)式彈跳，以孤立、分散或碎裂等形式存在，但荷葉上的水實質(zhì)上并未脫離荷葉表面，且液體在表面的接觸范圍進一步擴大，這也是雨后荷葉上仍會出現(xiàn)水珠的原因。盡管如此，一些生物（通常是存在主動意識的動物）仍會利用機械性運動或是借助外力（如圖5 中的雨滴撞擊，表面通常具有低剛度、大柔性），達到表面水完全脫附的目的（主動脫水）。

翠鳥[53]等小型鳥類在躲避雨水等自然災(zāi)害時，采取疏水性與運動融合的脫水行為是一種卓越的主、被動協(xié)同潤濕控制策略，可為表面仿生快速脫水提供行之有效的技術(shù)靈感（圖8a）。翠鳥在捕食過程中，可實現(xiàn)快速出入水。在較難實現(xiàn)的出水過程中，翠鳥仍能迅速擺脫體表的黏附水，完成水中到空中模式的快速切換，且體表始終維持干燥。吉林大學(xué)任露泉團隊[54]在對翠鳥潤濕控制的系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)，翠鳥體表的疏水性是決定其被動脫水性能的關(guān)鍵。翠鳥體表潤濕性分布不一，翅羽等呈超疏水性（接觸角θ約151°，滾動角θs<10°），整體呈疏水性（接觸角90°<θs<150°，滾動角θs<10°）。在出水過程中，翠鳥采取急加速，快速晃動身體各部位，揮翅拍打產(chǎn)生多頻振動等行為，與表面疏水性形成優(yōu)勢互補，為快速脫離水面、維持體表干燥創(chuàng)造了必要條件。蜂鳥[55]在大雨中穩(wěn)健的懸?，F(xiàn)象同樣得益于其晃動的自主行為，如圖8b所示。蜂鳥頭部可根據(jù)不同雨量強度，在晃動頻率為28.4～31.7 Hz 進行動態(tài)調(diào)整。蚊蟲[56]在雨滴黏附過程中，主動沖擊固體壁面，利用振動產(chǎn)生的慣性，成倍提高飛行速度，去除將近三分之二的表面黏附水，這使蚊蟲能在50 倍于自身的體重的雨滴撞擊下生存繁殖[57-58]。鼠類、犬類、羊等哺乳動物為避免潤濕導(dǎo)致的體溫降低，利用自身柔性和離心甩動（圖8c—h），加速體表液體的脫離。實驗表明，哺乳動物脫水時甩動的頻率與體重呈負相關(guān)[59]。

圖8 生物表面主動快速脫水現(xiàn)象[59]Fig.8 Active rapid dehydration of biological surfaces[59]: a) kingfishers; b) hummingbirds; c) adult mouse; d) mosquitoes; e) rat;f) kunekune pig; g) boer goat; h) labrador retriever

生物表面黏附水的主動快速脫附是在“被動”脫水的基礎(chǔ)之上衍生而來的。翠鳥、蜂鳥、昆蟲、哺乳動物不但巧妙地利用其疏水外表，還充分地運用它們的主動意識，控制軀體產(chǎn)生平動、振動、離心運動等行為，完成表面黏附水的快速去除。與動物不同，植物表面只有在受到外部力撞擊后，彈性表面才會產(chǎn)生持續(xù)性往復(fù)阻尼振動行為，實現(xiàn)從無能量輸入的“被動脫水”轉(zhuǎn)化為存在能量輸入的“主動脫水”。

2.2.2 仿生表面主動脫水行為機理及實現(xiàn)途徑

表面黏附水的有效、快速脫離是壁面運動與疏水性的耦合。關(guān)于靜止表面脫水已有大量報道[23,28-32,60-61]，而對與表面主動脫水技術(shù)密切相關(guān)的可運動表面的液滴動態(tài)行為研究起步較晚，直接闡述表面脫水和基底運動關(guān)系的研究較少。在此之前，大多是從物理、界面力學(xué)等層面描述液體動態(tài)形貌的演化規(guī)律。由于存在振動、線性等不同形式的機械性運動和能量輸入，故表面發(fā)生的黏附水脫離行為本質(zhì)上屬于主動脫水范疇，直到近年來才逐漸獲得關(guān)注。

將驅(qū)動器產(chǎn)生的振動行為賦予表面，可在不改變表面浸潤特性的前提下，通過仿生的方法從本質(zhì)上影響潤濕動力學(xué)。生物在擺脫體表黏附水時，搖晃產(chǎn)生的振動行為可在實驗室中采用激振器等方式模擬。利用共振揚聲器等激振器，模擬生物在指定頻率激發(fā)表面產(chǎn)生振動響應(yīng)，也是一種實現(xiàn)仿生主動脫水的方式，如圖9 所示。揚聲器的頻率可由自定義代碼編程或軟件控制，經(jīng)由功放器，最終在揚聲器端產(chǎn)生振動響應(yīng)。Weisensee[62]等分析了液滴撞擊不同彈性模量的普通、超疏水薄板所涉及液滴的動力學(xué)機理性問題。結(jié)果表明，表面的振動頻率、潤濕性、薄板的彈性模量、液滴沖擊時基底所處相位均可直接影響固液接觸時間，疏水表面較親水表面的接觸時間短；低彈性模量材料的表面較高彈性模量的接觸時間短；當液滴接觸相位與基底運動相位相反時，接觸時間最多可減小一半，反之，兩者相位相同時，接觸時間最大可增加1.6 倍。當往復(fù)振動的表面向上移動，與液滴（向下運動）產(chǎn)生相向運動時，速度場產(chǎn)生線性疊加現(xiàn)象，能顯著提升表面水脫離的速度[54]。盡管在特定情況下，振動表面的接觸時間存在增加的可能，但可通過人為控制基板的振動頻率，使其與固液接觸時間處于同一個數(shù)量級，結(jié)合振動表面的超疏水性，實現(xiàn)表面快速主動脫水。在振動持續(xù)過程中，表面始終能維持穩(wěn)定的干燥狀態(tài)，振動超疏水表面的黏附水實現(xiàn)了有效且快速地脫附。

圖9 振動對表面脫水影響的實驗研究[54,62]Fig.9 Research on active surface dehydration mechanism and bionic strategy: a) droplet hit the vibrating surface[62]; b) droplet hit the vibrating surface[54]

表面移動是一種能持續(xù)誘導(dǎo)快速脫水且能有效避免區(qū)域連續(xù)潤濕的主動控制策略，該種快速脫水策略深受翠鳥、蜂鳥等小型鳥類在極端雨季來臨時仍能高速飛翔的啟發(fā)。表面的移動對固液交互行為產(chǎn)生非平衡性的影響，能促進黏附水產(chǎn)生與速度矢量方向相關(guān)的非對稱形貌，如圖10 所示[63-64]。盡管前人并未專門針對表面脫水的關(guān)鍵參數(shù)，例如接觸時間等開展定量化研究，但實驗表明，當液滴撞擊在不同移動速度下平動中的表面后，展現(xiàn)出的動態(tài)形貌與表面的運動方向顯著相關(guān)。液滴的鋪展朝著運動方向的下游展開，在運動速度相反方向的流動受到抑制，非對稱效應(yīng)顯著。

圖10 表面的運動對撞擊液滴動態(tài)形貌的影響規(guī)律及分析[63-64]Fig.10 Droplet impact on the moving surface[63-64]: a) droplet impact on the moving surface; b) simulation of droplet impact on the moving surface

基于格子玻爾茲曼的數(shù)值模擬表明（圖11），液滴的非對稱效應(yīng)歸因于表面運動誘導(dǎo)的移動接觸線的非平衡“釘扎力”，產(chǎn)生背離于運動方向的翻滾彈離，運動表面邊緣，最終完全脫離表面。彈離模式、液滴滯留于空中的時間與表面宏觀紋理和運動矢量間的夾角顯著相關(guān)[65]。液滴在表面產(chǎn)生連續(xù)翻滾行為是較為理想的脫水方式，相關(guān)理論已在跨介質(zhì)飛行器表面的防浸潤領(lǐng)域中獲得了應(yīng)用驗證[54]。表面移動可大幅避免相同區(qū)域內(nèi)連續(xù)性、不間斷撞擊沖蝕行為，固液接觸區(qū)域的不斷變換，在超疏水表面構(gòu)造特殊宏觀結(jié)構(gòu)，還可誘導(dǎo)水的非對稱流動形貌與定向脫離，控制撞擊水體和黏附水體的方向性流動。

圖11 利用仿生策略在移動紋理表面實現(xiàn)液滴翻滾與快速脫水[65]Fig.11 The moving surface induces the directional bouncing[65]: a) bionic dehydration behavior inspired by kingfisher's flight; b)directional bouncing of droplets on a moving surface with a textured array; c) numerical simulation analysis of droplet rolling caused by surface movement

在超疏水表面高性能與高耐候性的共同加持下[66]，采用仿生策略，于工程表面大規(guī)模誘導(dǎo)黏附水高效、實質(zhì)性地主動脫離將成為可能。在工程中，如機械設(shè)備的運行、航空器的飛行等，均會形成振動、移動等多種機械性運動耦合的“仿生主動脫水”必要有利因素，這些“主動”的特征與表面超疏水性、各向異性等“被動快速脫水”優(yōu)異特性協(xié)同，可實現(xiàn)主、被動耦合的表面快速脫水。

3 結(jié)語

仿生超疏水表面具有優(yōu)異的憎水性，由其衍生而來的動態(tài)潤濕控制技術(shù)，在眾多前沿領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。本文從潤濕基本理論出發(fā)，從自然界的靜態(tài)潤濕現(xiàn)象過渡到表面的動態(tài)潤濕、脫水標準。參照振動控制的原理，以在脫水時是否需要額外能量消耗，歸納了自然界與人工制造表面的“被動”與“主動”脫水策略。主要闡述了表面快速脫水的實現(xiàn)途徑、表面黏附水動態(tài)脫附行為及機理、表面潤濕仿生控制技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀。其特點與優(yōu)劣性可總結(jié)如下：

1）受自然界植物葉片、鳥羽表面等動態(tài)脫水行為啟發(fā)，通過在表面構(gòu)造特殊宏觀紋理結(jié)構(gòu)、傾斜角度、柔性/彈性和將表面超疏水化等，或是上述多個因素協(xié)同，可在無額外能量消耗的情況下（被動脫水），以較為低廉的成本，實現(xiàn)表面憎水性的增強與水體快速脫離。

2）從能量守恒定律的角度出發(fā)，僅依靠表面的超疏水靜態(tài)疏水性，無法實現(xiàn)表面水體的實質(zhì)性脫附。在“被動脫水”的基礎(chǔ)上，表面的振動、移動等運動行為將進一步提高脫水效率與成功率，“被動脫水”也因存在能量消耗而轉(zhuǎn)為“主動脫水”。還需進一步研究多種運動因素下的綜合脫水性能，盡管機構(gòu)設(shè)置相對復(fù)雜，但“主動脫水”具有更寬幅的工況適應(yīng)性，脫水效果更為理想。

3）表面仿生脫水技術(shù)的穩(wěn)定性依賴于表面疏水涂層的耐候性與機械強度，開發(fā)耐用可靠的超疏水表面涂層是實現(xiàn)快速脫水技術(shù)的基本前提。使表面黏附水快速脫附與接觸時間最小化的實現(xiàn)途徑可歸納為，穩(wěn)健超疏水（還可包含各向異性、梯度、傾斜角度等在內(nèi)的一種或多種特殊潤濕性能）與仿生機械運動（如振動、移動、離心運動等）的耦合。

表面快速脫水仿生技術(shù)源于自然界的靈感，其實現(xiàn)方式在于，通過模仿自然界生物具有的獨特卓越表面動態(tài)潤濕控制功能，賦予工程表面維持長效干燥性與自清潔性。本文總結(jié)歸納了表面快速脫水技術(shù)的仿生控制理論思想、研究現(xiàn)狀及實現(xiàn)途徑，以期擴充領(lǐng)域內(nèi)的知識理論框架體系，為仿生高效脫水理論應(yīng)用于表面水的快速脫附提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。