仿生物體摩擦學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

劉曉敏,趙登超,陳 亮,羅林輝

(福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院,福州 350116)

現(xiàn)代摩擦學(xué)是以研究摩擦學(xué)機理、理論及工程應(yīng)用為主的一門新興學(xué)科[1].據(jù)統(tǒng)計,我國每年因摩擦問題造成資源損失高達(dá)千億元[2].為此,提高設(shè)備摩擦學(xué)性能,降低設(shè)備能源消耗,對實現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義.

生物體捕食、奔跑、飛行等行為都離不開摩擦.為適應(yīng)生存環(huán)境,生物體經(jīng)過億萬年的生存競爭,進(jìn)化出優(yōu)異結(jié)構(gòu)、組織及運動方式,能很好地適應(yīng)不同的摩擦環(huán)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(jié)構(gòu),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(fù)雜環(huán)境中,進(jìn)化出優(yōu)異的耐磨結(jié)構(gòu),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(yōu)異摩擦學(xué)性能的結(jié)構(gòu)、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(xué)設(shè)計提供新的設(shè)計思想、工作原理及創(chuàng)新方法.

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

1 仿生物體摩擦學(xué)特性

1.1 黏附性

黏附性是指兩接觸表面垂直分離時產(chǎn)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(qū),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(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy,SEM)[7]圖像.樹蛙對光滑物體表面產(chǎn)生很強的黏附力是利用毛細(xì)現(xiàn)象.樹蛙腳墊末端含有大量的平底六角形上皮細(xì)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(fù)合結(jié)構(gòu).平底六角形上皮細(xì)胞被充液槽隔離,根據(jù)樹蛙腳墊與表面間的分離狀況,充液槽自動調(diào)節(jié)寬度以便將液體擠出或吸入,達(dá)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(nèi),存在直徑從300 μm到幾厘米大小不等的腔室.吸盤的解剖結(jié)構(gòu)包括一個開口和一個球形凸起,見圖1(c)[9].當(dāng)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(jié)構(gòu),水被吸入髖臼,在腔內(nèi)形成水環(huán).隨著經(jīng)絡(luò)肌的收縮,孔口上側(cè)與髖臼中的球形凸起接觸,使腔內(nèi)壓力可降至-0.168 MPa.這種與外界環(huán)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(jié)構(gòu)圖Fig.1 Adhesion structure diagram of different organisms

1.2 耐磨性

螻蛄背部和側(cè)面覆蓋有100～200 μm的長剛毛和50～100 μm的短剛毛,在角質(zhì)層表面有許多刺狀微凸體結(jié)構(gòu).剛毛與刺層疊加,形成多層表面形態(tài).這種多層表面形態(tài)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(xiàn)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(jié)締組織(較軟)和角質(zhì)層(較硬)組成非均質(zhì)結(jié)構(gòu)及鱗片間的溝槽結(jié)構(gòu)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(yōu)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(shù)在30°～45°范圍內(nèi)取值,這是竹子具有高耐磨性及優(yōu)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(guān).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(jié)構(gòu)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(tài)、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(shù)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(xiàn)快速運動.

大多數(shù)魚的上皮組織分布有大量的杯狀細(xì)胞,杯狀細(xì)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(zhuǎn)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(yōu)異的減阻性能,這種特殊的鱗片結(jié)構(gòu)被認(rèn)為能有效減小身體周圍水體回流引起的湍流強度,達(dá)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(xì)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(shù)可降至0.005,形成一種超潤滑狀態(tài).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(gòu)成納米片狀結(jié)構(gòu),在片狀結(jié)構(gòu)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(rèn)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(huán)保型的潤滑液進(jìn)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(yán)重危害.自然界很多生物體以其特殊的運動方式和身體構(gòu)造,使其能夠隨環(huán)境的改變來調(diào)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(xiàn)各向異性的摩擦學(xué)特性.當(dāng)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(jié)構(gòu)是蛇類攀爬時獲得足夠前推動力的關(guān)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(xué)觀統(tǒng)稱為客觀主義。哈澤爾(Haser)認(rèn)為這種“客觀主義”只是他們?yōu)檎撟C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(zhǔn)確的引用信息，極少列舉具體的參考文獻(xiàn)或指出持該觀點的學(xué)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(xué)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(xué)者的觀點歸入客觀主義的范疇，一方面又多次引用這些學(xué)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(zhuǎn)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(dāng)它們走路時,就會把鉤爪縮進(jìn)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(tài)下獲得足夠大的摩擦阻力,進(jìn)行急轉(zhuǎn)彎.

2 仿生物體摩擦學(xué)應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

仿生物體摩擦學(xué)特性在工程仿生方面有著重要的應(yīng)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(huán)境中都具有很好的黏合效果.Yang等[16]仿荷葉的超疏水結(jié)構(gòu),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(shù),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(yīng)用在打蛋器頭部,獲得了能夠有效避免黏附蛋白質(zhì)的自清潔效果.Zhai等[17]仿荷葉的雙層表面結(jié)構(gòu),采用逐層處理技術(shù)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(zhì)多層膜結(jié)構(gòu),并利用氟硅烷包覆這種高織構(gòu)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F(xiàn)ig.7 Biomimetic adhesive patch

Liang等[18]受沙漠蜥蜴皮膚耐磨性結(jié)構(gòu)啟發(fā),利用熱爆反應(yīng)技術(shù)開發(fā)出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的Ni-Ti-C軟相與硬相結(jié)合的復(fù)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(jié)構(gòu),研發(fā)出上硬(1060鋁合金板)下軟(硫化硅橡膠)的仿生聯(lián)軸器材料,如圖9(b)所示.經(jīng)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(shù)制造分層黏合結(jié)構(gòu),開發(fā)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(shè)計出由6個標(biāo)

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

圖9 仿生耐磨復(fù)合材料Fig.9 Biomimetic composite material

準(zhǔn)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(jìn)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(shè)備能夠在整個長度上運行,并在機器尾部釋放應(yīng)變.該機器人通過開環(huán)控制器驅(qū)動改變每個模塊的位置軌跡,產(chǎn)生沿著裝置向后傳播的正弦波,從而在復(fù)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(xué)案例,如表1所示.

表1 部分生物仿生應(yīng)用Tab.1 Partial organism’s bionic application

3 仿生物體摩擦學(xué)存在問題及應(yīng)用前景展望

3.1 主要存在問題分析

仿生物體摩擦學(xué)能夠在一定程度上改善設(shè)備的性能.但由于其缺乏系統(tǒng)性的理論支持,也缺乏有效地從生物摩擦學(xué)特性向工程領(lǐng)域轉(zhuǎn)移的平臺.工程師們對仿生物體摩擦學(xué)的工程應(yīng)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(xué)仍有許多理論和技術(shù)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(xué)特性缺乏關(guān)鍵科學(xué)理論的解釋.根據(jù)生物體具有優(yōu)異摩擦學(xué)功能,從物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科角度進(jìn)行深入全面的研究,從生物體結(jié)構(gòu)及其分布規(guī)律、所處環(huán)境及其運動方式等角度揭示其所具有摩擦學(xué)特性的原因,并從數(shù)學(xué)的角度推導(dǎo)出其相應(yīng)的定理,為建立仿生相似性規(guī)則提供技術(shù)支持.

(2) 生物摩擦學(xué)仿生原型的獲取缺乏客觀的選擇方式和有效的評估標(biāo)準(zhǔn),具有隨機性.結(jié)合工程仿生設(shè)計實際需求,對生物生存環(huán)境、結(jié)構(gòu)形式、運動方式、尺度等進(jìn)行嚴(yán)格定義,規(guī)定限制因素,提出一套嚴(yán)格的選取標(biāo)準(zhǔn),指導(dǎo)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(fā)成本過高的問題,也有助于節(jié)省仿生研發(fā)時間,加快產(chǎn)品研發(fā)周期.

(3) 目前,生物分類方式是生物學(xué)家根據(jù)形態(tài)學(xué)劃分生物種類,這主要是側(cè)重于物種多樣性的研究.該分類方式不利于工程設(shè)計人員發(fā)掘自然界中生物體存在的優(yōu)異摩擦學(xué)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(tǒng)進(jìn)行科學(xué)分類.

(4) 生物優(yōu)異的摩擦學(xué)運動特性及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并非可以直接復(fù)制.大多數(shù)情況下,將生物系統(tǒng)直接復(fù)制到工程系統(tǒng)幾乎是不可行的,要根據(jù)工程實際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整.目前,仿生物體摩擦學(xué)在工程領(lǐng)域的仿生仍較為盲目.為此,開發(fā)并完善生物體優(yōu)異摩擦性能的數(shù)據(jù)庫,建立一套生物系統(tǒng)向工程領(lǐng)域轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)性理論,對仿生物體摩擦學(xué)設(shè)計實現(xiàn)數(shù)字化、智能化和高效化具有重要意義.

(5) 仿生物體摩擦學(xué)領(lǐng)域缺乏具有跨學(xué)科知識的研究人員,培養(yǎng)一支兼具工程學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)等多學(xué)科交叉融合的人才隊伍,有助于加快我國仿生物體摩擦學(xué)在工程仿生領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展.

3.2 仿生物體摩擦學(xué)應(yīng)用前景展望

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

(2) 環(huán)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(yè)對潤滑油的潤滑性能要求不斷提高.人們普遍認(rèn)為,目前工業(yè)中所使用的潤滑油對自然、環(huán)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(fā)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(jié)構(gòu)、形態(tài)及運動方式對航行器的減阻設(shè)計具有重要的參考價值.未來,從生物形態(tài)、結(jié)構(gòu)、運動方式等方面進(jìn)行仿生,應(yīng)用于船舶、潛艇、飛機的減阻仍有很廣闊的發(fā)展及研究空間.

(4) 特種機器人.研制更多的能夠適應(yīng)特定自然環(huán)境的機器人是未來的發(fā)展方向之一.如通過模仿水黽所具有的水上負(fù)重能力和快速推進(jìn)能力,研發(fā)水上航行機器人,有利于海上救援和執(zhí)法.模仿蛇類優(yōu)秀的山地爬行能力,研發(fā)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(jìn)能力,研發(fā)能夠在沙漠中快速行進(jìn)的機器人,對工業(yè)、軍事、生態(tài)學(xué)等方面的科研意義重大.

此外,仿生物體摩擦學(xué)在石油、化工、海洋船舶、電子、軍工等領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展及應(yīng)用前景.

4 結(jié)論

(1) 仿生物體摩擦學(xué)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(chǎn)品設(shè)計具有重要的參考價值.

(2) 仿生物體摩擦學(xué)理論的建立使得摩擦學(xué)與生物學(xué)緊密結(jié)合.研究生物體優(yōu)異摩擦學(xué)特性背后的機理,能夠極大地豐富摩擦學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、材料等多學(xué)科理論、方法和技術(shù),進(jìn)而推動現(xiàn)代摩擦學(xué)的發(fā)展.

(3) 開發(fā)仿生物摩擦特性研究的數(shù)據(jù)庫,建立一套由生物系統(tǒng)向工程領(lǐng)域轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)性理論,為實現(xiàn)工程仿生產(chǎn)品的跨越式發(fā)展提供技術(shù)支持.

未來,仿生物體摩擦學(xué)朝著產(chǎn)品數(shù)字化、智能化、高效化等方向發(fā)展,這將有助于減輕工程仿生設(shè)計難度,加快工程仿生產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度,為工業(yè)節(jié)能、減排,實現(xiàn)國家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展作出重大貢獻(xiàn).