3D打印仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的黏附性能*

徐萬(wàn)崟, 謝 宇, 錢(qián) 勁,2

(1. 浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院 工程力學(xué)系, 杭州 310027;2. 浙江省軟體機(jī)器人與智能器件研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310027)

0 引 言

為了應(yīng)對(duì)海洋中的波浪和激流, 貽貝會(huì)產(chǎn)生多個(gè)足絲, 從而通過(guò)足絲末端的黏附斑塊固定在各種表面上．這種足絲線-斑塊結(jié)構(gòu)是一種獨(dú)特的黏附器,從貽貝主體向外延伸至被黏附的物體上,通過(guò)黏附斑塊與物體硬表面形成緊密的黏附[1-2],以此抵御惡劣環(huán)境帶來(lái)的沖擊[3-4]．每條足絲包含了三個(gè)形態(tài)不同的部分:褶皺且有彈性的近端部分、相對(duì)光滑且較硬的遠(yuǎn)端部分以及在基底表面的黏性斑塊[5-6]．足絲線通常在斑塊橫截面中心附近的位置與斑塊連接,自然狀態(tài)下與橫截面的夾角約為5°～45°,該角度取決于斑塊位置與貽貝主體之間的距離[7-8]．

貽貝足絲具有良好的黏附性、延展性和自修復(fù)性[1,9-11],為仿生黏附研究提供了許多靈感,催生了許多新型的膠黏劑[12-15]和功能材料[16]．斑塊部分與固體表面接觸的界面相互作用和性能在貽貝足絲黏附中起著關(guān)鍵作用,而本征的界面相互作用取決于二者的理化屬性[17]．本文側(cè)重于力學(xué)研究,重點(diǎn)討論了在給定本征界面相互作用的條件下,黏附結(jié)構(gòu)(如足絲方向角、足絲線-斑塊連接位置、斑塊底部形狀等關(guān)鍵因素)對(duì)貽貝足絲黏附性能的影響機(jī)制和調(diào)控作用,為仿貽貝人造黏附系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備提供參考．研究指出[18],貽貝足絲在一定的斑-線比(足絲斑塊直徑/足絲線直徑)范圍內(nèi),存在使其黏附效率最優(yōu)的結(jié)構(gòu)．

本文將重點(diǎn)關(guān)注貽貝足絲的結(jié)構(gòu)特性對(duì)于黏附性能的影響,采用3D打印技術(shù)[19-20]設(shè)計(jì)并制備了仿貽貝足絲結(jié)構(gòu),通過(guò)脫黏實(shí)驗(yàn)研究了其在不同方向角下的脫黏模式和黏附性能．同時(shí),基于內(nèi)聚力黏附接觸理論[21]建立仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型,以模擬仿生結(jié)構(gòu)和基板的黏附作用．通過(guò)比較脫黏實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果,分析和討論了黏附性能的調(diào)控因素,進(jìn)而對(duì)貽貝足絲黏附的調(diào)控機(jī)理有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)．

1 仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)脫黏試樣的設(shè)計(jì)和制備

在自然界中由于貽貝的種類(lèi)多樣,貽貝足絲的形態(tài)大小也有所差異[22-23]．本文聚焦的貽貝足絲結(jié)構(gòu)源于加州貽貝[7](圖1),其典型特征是足絲與基底的接觸界面附近有類(lèi)似蘑菇狀的斑塊結(jié)構(gòu)[24-26],使得貽貝足絲表現(xiàn)出牢固而持久的黏附能力．

(a) 黏附在魚(yú)缸上的貽貝 (b) 貽貝足絲黏附結(jié)構(gòu)側(cè)視圖 (c) 從下方拍攝的斑塊-玻璃黏附界面的圖像(a) The representative mussels stuck to the fish tank (b) The side view image of a thread-plaque holdfast (c) The image of the plaque-glass interface taken from below to allow for direct observation of detachment process

圖1(a)的比例尺為5 cm[18],圖1(b)和圖1(c)的比例尺均為1 mm[7]．圖1(b)足絲線處于拉伸狀態(tài),外表皮上的黑色標(biāo)記作為基準(zhǔn),用來(lái)測(cè)量試樣應(yīng)變;斑塊底部直徑約為3 mm,足絲線直徑約為0.3 mm,足絲線與斑塊連接處與斑塊底部中心的水平距離約為0.5 mm,豎直距離(也即斑塊厚度)約為0.45 mm．

為便于實(shí)驗(yàn)觀測(cè),本文根據(jù)上述加州貽貝足絲的形態(tài)特征,將原有尺寸放大20倍設(shè)計(jì)了仿貽貝足絲結(jié)構(gòu),如圖2(a)所示．其中,lt=100 mm為試樣的足絲線長(zhǎng)度,h=9 mm為斑塊厚度,Δx=10 mm為足絲線-斑塊連接點(diǎn)與斑塊中心的水平距離,D=60 mm為斑塊直徑,d=18 mm為足絲線-斑塊連接處直徑,dt=6 mm為足絲線直徑．θ為試樣的足絲線方向與基板的夾角,稱為足絲方向角,同時(shí)作為實(shí)驗(yàn)中脫黏試樣的加載角．在脫黏實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,保持其他各參數(shù)不變,只需改變足絲線角度θ,即可分析仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的足絲方向角θ對(duì)結(jié)構(gòu)黏附性能的影響．在仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,足絲線底部和足絲線-斑塊連接處采用“放樣”操作過(guò)渡連接,使試樣表面形狀平滑,盡可能真實(shí)地符合貽貝足絲的形態(tài)特征．

(a) 幾何模型(a) The geometric model

在綜合考慮自然界中貽貝足絲各部分的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性后,我們將仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)試樣分為兩部分制備,如圖2(b)所示:一是采用樹(shù)脂材料的立體光固化成型(stereo lithography appearance,SLA)工藝[27-28]制備細(xì)長(zhǎng)的足絲線部分;二是基于聚氨酯(PU)軟膠材料的硅膠復(fù)膜工藝[29],制備了參與黏附和脫黏過(guò)程的斑塊部分．所選用樹(shù)脂的彈性模量為2 600 MPa, Poisson比為0.3, PU軟膠的彈性模量為0.54 MPa, Poisson比為0.48．由于樹(shù)脂的拉伸強(qiáng)度比軟膠大得多,上述設(shè)計(jì)可有效避免足絲線處的破壞,從而更容易觀察到試樣的脫黏現(xiàn)象．最后,將試樣的兩個(gè)部分通過(guò)塑料膠連接,垂直于接觸面按壓一段時(shí)間后,待膠水自然風(fēng)干,對(duì)連接處的縫隙以適量塑料膠加固,使其在脫黏過(guò)程中不易發(fā)生破壞．

2 仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的脫黏實(shí)驗(yàn)

脫黏試樣和測(cè)試基板之間的黏附層為3M5925雙面膠(丙烯酸膠泡棉基材),其黏附強(qiáng)度適中,可清晰地呈現(xiàn)試樣的脫黏過(guò)程而不至污染基板．我們采用聚四氟乙烯板作為試樣黏附的基板,以保證試樣與基板脫黏過(guò)程中不引起試樣的破壞．為便于脫黏試樣不同加載角(即足絲方向角)的調(diào)控,我們?cè)O(shè)計(jì)了角度可調(diào)的測(cè)試平臺(tái),并將其搭建在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(Instron 5944, Instron Co., Ltd., USA)上,如圖3(a)所示．脫黏測(cè)試過(guò)程中,試驗(yàn)機(jī)始終保持豎直加載,通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的插槽來(lái)改變基板的角度,從而間接改變了試樣的受力方向．

(a) 實(shí)驗(yàn)裝置 (b) 足絲方向角為θ =45°時(shí)試樣的脫黏過(guò)程(a) The experiment apparatus (b) The detachment process of the sample at a thread direction angle of θ =45°

為測(cè)試不同方向角下仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的脫黏情況,我們制備了足絲方向角θ分別為15°,30°,45°,60°,75°,90°的仿生結(jié)構(gòu)試樣．在加載試樣前,先剝開(kāi)3M雙面膠的紅色離型紙,通過(guò)按壓使暴露出的黏性面與試樣底部均勻黏貼,之后靜置0.5 h．然后,撕去雙面膠的黃色離型紙,將試樣輕輕放置在聚四氟乙烯基板上,隨后將角度可調(diào)測(cè)試平臺(tái)倒置,用裝置自重對(duì)黏附體系施加壓力．30 s后將裝置放正,試樣不再受到外界壓力作用,靜置2 min．之后將角度可調(diào)測(cè)試平臺(tái)的基板調(diào)整至合適位置,使試樣的足絲線方向?yàn)樨Q直方向,用夾具夾住足絲線上端,取夾持部分長(zhǎng)度為20 mm．調(diào)零載荷和位移,啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī),觀察并記錄試樣的脫黏過(guò)程,所選的拉伸速率為10 mm/min．

3 基于內(nèi)聚力黏附接觸的有限元模擬

為進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)特性對(duì)仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)黏附性能的影響,我們對(duì)仿生結(jié)構(gòu)脫黏過(guò)程進(jìn)行了有限元建模和計(jì)算．采用與脫黏實(shí)驗(yàn)相同的結(jié)構(gòu)與數(shù)值模型,用ABAQUS有限元軟件分別模擬θ=15°,30°,45°,60°,75°,90°足絲方向角下仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的脫黏過(guò)程．由于內(nèi)聚力模型可綜合分析脫黏過(guò)程中界面拉伸、剪切與剝離等復(fù)雜的受力狀態(tài),因而廣泛應(yīng)用于研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其界面的黏附問(wèn)題[30-31]．在數(shù)值建模的過(guò)程中,結(jié)構(gòu)和基板之間的黏附作用采用內(nèi)聚力接觸模型,并在足絲頂端施加豎直向上的位移載荷．

為充分探究仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的足絲線-斑塊連接位置、斑塊底部形狀等幾何特征對(duì)黏附性能的影響,并且保證有限元仿真模型的運(yùn)算量和準(zhǔn)確度,我們借助萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)量了仿貽貝足絲、斑塊的彈性模量值,所采用內(nèi)聚力模型的參數(shù)來(lái)自于文獻(xiàn)[7]中貽貝足絲界面作用的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,如表1所示．

表1 有限元模擬所用的材料性質(zhì)[7]

4 結(jié)果與討論

我們通過(guò)脫黏實(shí)驗(yàn)得到了不同足絲方向角下仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的黏附力-位移曲線,如圖4(a)所示．觀察不同方向角下的力-位移曲線,可以看出,這些曲線呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)．結(jié)合θ= 45°方向角模擬的黏附力-位移曲線(圖4(b))以及實(shí)驗(yàn)曲線(圖4(c))、方向角θ= 15°時(shí)的黏附力-位移實(shí)驗(yàn)曲線(圖4(d))、脫黏實(shí)驗(yàn)側(cè)視圖(圖4(e))、底部脫黏區(qū)域演化(圖4(f))以及對(duì)應(yīng)的底部失效模擬圖(圖4(g)),我們歸納出仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的脫黏過(guò)程具有4個(gè)階段:

(a) 實(shí)驗(yàn)得到的黏附力-位移曲線(b) 實(shí)驗(yàn)得到的θ =45°時(shí)的黏附力-位移曲線 (a) Adhesion force-displacement curves obtained from experiments (b) The experimental adhesion force-displacement curve for θ =45°

1) 均勻拉伸階段OA:在開(kāi)始拉伸的一段時(shí)間內(nèi),黏附力隨著位移的變大而增加,隨著拉伸位移的增大,對(duì)應(yīng)圖4(g)中試樣的斑塊部分出現(xiàn)較大形變,導(dǎo)致整體曲線斜率逐漸降低．

2) 初始脫黏階段AB:試樣底部開(kāi)始脫黏而使得受力下降,對(duì)應(yīng)圖4(g)中脫黏區(qū)域由中心均勻地向四周擴(kuò)散,直到抵達(dá)斑塊的邊界．

3) 單側(cè)脫黏階段BC:當(dāng)?shù)撞苛鸭y穿過(guò)邊界后,對(duì)應(yīng)圖4(g)中脫黏區(qū)域向一側(cè)擴(kuò)散,直到該側(cè)脫離基板,在這個(gè)過(guò)程中黏附力突然減小．

4)C點(diǎn)之后的完全脫黏階段: 位移繼續(xù)增大,黏附力緩慢降低,待位移達(dá)到臨界狀態(tài)后,拉力驟降,隨后試樣完全脫黏．

通過(guò)比較圖4(b)、4(c)中模擬與實(shí)驗(yàn)的仿生結(jié)構(gòu)脫黏曲線,可發(fā)現(xiàn)本文建立的數(shù)值模擬方法具有較佳的可靠性．此外,對(duì)于脫黏實(shí)驗(yàn)中底部裂紋的演化,模擬與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果取得了較高的一致性．值得一提的是:模擬的力-位移曲線與實(shí)驗(yàn)曲線在完全脫黏階段(力-位移曲線C點(diǎn)后)有一定的偏差,可能是由于仿生結(jié)構(gòu)在脫黏過(guò)程中發(fā)生了較大的變形和翻轉(zhuǎn),導(dǎo)致與基板的實(shí)際接觸面積較大,因此仍具有較高的黏附力．

由黏附力-位移曲線圖4(a)可以看出,不同方向角的脫黏過(guò)程均呈現(xiàn)出4個(gè)階段,但在黏附力極值以及特定的位移上存在較大的差異．為便于后續(xù)討論,我們將脫黏的峰值力(B點(diǎn))稱為脫黏力,C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移稱為臨界脫黏位移,在C點(diǎn)后黏附力降為0時(shí)對(duì)應(yīng)的位移稱為脫黏位移．對(duì)比不同足絲方向角的仿生結(jié)構(gòu),脫黏力和臨界脫黏位移表現(xiàn)出明顯的角度依賴性,因此我們有必要探究足絲方向角對(duì)仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的黏附性能的調(diào)控作用．

4.1 足絲方向角對(duì)黏附性能的影響

由黏附力-位移曲線與坐標(biāo)軸所圍的面積,可計(jì)算出仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的黏附能．對(duì)比不同方向角脫黏的黏附能(圖5(a))、脫黏力(圖5(b))、臨界脫黏位移(圖5(d)),可歸納出: 1) 方向角為30°時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的黏附能、黏附力和臨界脫黏位移均最大; 2) 30°<θ<90°時(shí),脫黏力和臨界脫黏位移均隨著角度的增大而減小．然而在圖5(c)中,當(dāng)方向角變化時(shí),仿生結(jié)構(gòu)最終的脫黏位移并沒(méi)有呈現(xiàn)出類(lèi)似的規(guī)律．

(a) 黏附能 (b) 脫黏力(a) The adhesion energy (b) The detachment force

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和ABAQUS模擬的底部裂紋演化過(guò)程,并結(jié)合仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的幾何特性,可分析出不同方向角下仿生結(jié)構(gòu)的脫黏行為．首先,我們定義斑塊-基板界面上的遠(yuǎn)點(diǎn)和近點(diǎn),如圖6(a)所示:遠(yuǎn)點(diǎn)為界面上離足絲線-斑塊連接面上圓心最遠(yuǎn)的點(diǎn),即P1點(diǎn);近點(diǎn)為界面上離足絲線-斑塊連接面上圓心最近的點(diǎn),即P2點(diǎn)．針對(duì)不同方向角下模擬的脫黏過(guò)程,如圖6(b)所示,我們從中發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律: 1) 方向角θ較小(θ=15°,30°)時(shí),中間區(qū)域首先脫黏,然后裂紋前沿?cái)U(kuò)展至遠(yuǎn)點(diǎn)附近,再經(jīng)由兩側(cè)擴(kuò)展到近點(diǎn)附近區(qū)域;2)θ角較大(θ=45°,60°,75°,90°)時(shí),中間區(qū)域首先脫黏,脫黏的裂紋前沿從中間區(qū)域擴(kuò)展到近點(diǎn)附近,經(jīng)由兩側(cè)擴(kuò)展到遠(yuǎn)點(diǎn)附近區(qū)域．進(jìn)一步地,觀察圖6(b)中不同方向角仿生結(jié)構(gòu)底部的單側(cè)脫黏狀態(tài)(第三列)可得:當(dāng)方向角θ=30°時(shí),裂紋前沿在中間區(qū)域擴(kuò)展的極限面積(主要黏附區(qū)域)最大,此后拉力突然減小,結(jié)構(gòu)的黏附能力急劇失效,因此足絲方向角為30°時(shí),仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)具有最好的黏附性能;而當(dāng)方向角θ=90°時(shí),裂紋前沿在中間區(qū)域擴(kuò)展的極限面積最小,之后邊緣快速脫黏,從而導(dǎo)致90°方向角下的黏附能、脫黏力和臨界脫黏位移的數(shù)值較低,即黏附性能最差．實(shí)驗(yàn)中不同足絲方向角試樣的脫黏過(guò)程如圖6(c)所示,與模擬(圖6(b))具有一致的脫黏過(guò)程: 1)θ角較小(θ=15°,30°)時(shí),裂紋從中間區(qū)域開(kāi)始脫黏,之后裂紋前沿?cái)U(kuò)展到遠(yuǎn)點(diǎn)附近,遠(yuǎn)點(diǎn)先于近點(diǎn)脫黏; 2)θ角較大(θ=45°,60°,75°,90°)時(shí),中間區(qū)域開(kāi)始脫黏,之后裂紋前沿?cái)U(kuò)展到近點(diǎn)附近,近點(diǎn)先于遠(yuǎn)點(diǎn)脫黏．

(a) 仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分(a) The meshing of the biomimetic mussel byssal structure

從上述分析可知,仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)有最優(yōu)方向角,其中最優(yōu)方向角θm為30°．在最優(yōu)方向角下,仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的極限脫黏面積(如圖6(b)灰色區(qū)域)占底面總面積的百分比最大．

4.2 足絲線-斑塊連接位置對(duì)黏附性能的影響

依據(jù)4.1小節(jié)中脫黏時(shí)底部裂紋的演變情況,既然仿生結(jié)構(gòu)初始裂紋的萌生與遠(yuǎn)點(diǎn)和近點(diǎn)有關(guān),那進(jìn)一步可推斷出斑塊-基板界面的足絲線-斑塊連接位置可能是影響脫黏行為的重要因素．為了研究足絲線-斑塊連接位置對(duì)仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)黏附性能的影響,我們通過(guò)調(diào)控足絲線-斑塊連接位置中心點(diǎn)與斑塊底面中心點(diǎn)的水平距離Δx(圖2(a)),并用λ=Δx/R(R為斑塊底面半徑)來(lái)定義相對(duì)連接位置,進(jìn)而模擬不同λ下結(jié)構(gòu)的脫黏情況．

由圖7可知,脫黏力受足絲線-斑塊連接位置影響較大的是方向角θ為75°和90°的仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)．尤其是λ=0,1/6,1/3比λ=1/2時(shí)的脫黏力大得多,這表明:當(dāng)相對(duì)連接位置λ≤1/3,即足絲線-斑塊連接位置離斑塊底部中心較近時(shí),相對(duì)連接位置對(duì)結(jié)構(gòu)的黏附性能影響不大,而當(dāng)足絲線-斑塊連接位置遠(yuǎn)離底部中心時(shí),裂紋更易向邊緣擴(kuò)展,從而使結(jié)構(gòu)的黏附能力變?nèi)酰?/p>

圖7 不同方向角下模擬得到的脫黏力隨相對(duì)連接位置的變化Fig. 7 Effects of the relative junction position on the detachment force obtained from simulations for different direction angles

然而,對(duì)于不同的方向角,仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的黏附力與和連接位置的關(guān)系也有所差異．如圖7所示,當(dāng)方向角θ≤60°時(shí),足絲線-斑塊連接位置對(duì)結(jié)構(gòu)黏附性能的作用并不明顯,尤其是θ=60°時(shí),脫黏力幾乎不受相對(duì)連接位置的影響．

4.3 斑塊底部形狀對(duì)黏附性能的影響

事實(shí)上,自然界中貽貝足絲的斑塊底部并不是完美的圓形,更近似于橢圓形[7,32],因此,我們?cè)诒ＷC結(jié)構(gòu)的斑塊底部面積不變的情況下,在方向角θ=30°、相對(duì)連接位置λ=1/3時(shí),改變斑塊底部橢圓形的長(zhǎng)短軸之比η=a/b(圖8(a)),通過(guò)仿生結(jié)構(gòu)脫黏過(guò)程的有限元仿真來(lái)討論底部形狀對(duì)黏附性能的影響．

(a) 底部為橢圓形的仿貽貝足絲結(jié)構(gòu) (b) 不同長(zhǎng)短軸之比下的脫黏曲線 (a) The biomimetic mussel byssal structure with an elliptical basal plate (b) The detachment curves for different aspect ratios

從圖8(b)和8(c)中可以看出,在斑塊底部面積一定的情況下,當(dāng)長(zhǎng)短軸之比η≥1時(shí),脫黏力幾乎不受斑塊底部形狀的影響, 黏附能在η=1.125時(shí)最大; 長(zhǎng)短軸之比η<1時(shí), 黏附能和脫黏力的數(shù)值都有所下降．由此,我們不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)斑塊底部面積一定且橫向尺寸不小于縱向尺寸時(shí),底部形狀對(duì)結(jié)構(gòu)脫黏幾乎沒(méi)有影響．該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是:當(dāng)斑塊底部面積一定且a≥b時(shí),斑塊底部的主要脫黏區(qū)域面積不變,所以結(jié)構(gòu)的黏附性能幾乎不變;而當(dāng)斑塊底部面積一定且a

5 束狀仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的脫黏過(guò)程分析

在自然界中,貽貝通常通過(guò)一束足絲黏附在周?chē)矬w上以保證本體的穩(wěn)定,為了探究這一結(jié)構(gòu)特性所隱含的力學(xué)機(jī)制,采用圖9(a)中的束狀模型來(lái)模擬仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的脫黏過(guò)程．束狀模型中包含足絲方向角分別為15°,30°,45°,60°,75°和90°的仿貽貝足絲結(jié)構(gòu),各結(jié)構(gòu)足絲線的頂部平面中心圍繞受力點(diǎn)RP-1呈圓形陣列均勻分布,且各頂部平面與受力點(diǎn)RP-1耦合,在該點(diǎn)施加豎直向上的位移載荷,模擬得到的力-位移曲線及脫黏過(guò)程如圖9(b)所示．

(a) 束狀仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)模型(a) The model for bundle-like biomimetic mussel byssal structures

通過(guò)模擬得到的力-位移曲線可以揭示束狀結(jié)構(gòu)脫黏的演化規(guī)律(圖9(b)):束狀足絲結(jié)構(gòu)鋸齒狀脫黏曲線,呈現(xiàn)出6個(gè)極大值點(diǎn),分別對(duì)應(yīng)方向角貽貝仿生足絲的6個(gè)脫黏階段．首先,當(dāng)方向角θ=90°的仿生足絲開(kāi)始脫黏時(shí),束狀結(jié)構(gòu)整體的黏附力達(dá)到最大值,即第一個(gè)極大值(a點(diǎn));然后,θ=90°仿生足絲逐漸脫黏,黏附力明顯減小,同時(shí)方向角為75°的仿生足絲承受的力增加至出現(xiàn)脫黏,束狀仿生結(jié)構(gòu)整體的黏附力達(dá)到第二個(gè)極大值(b點(diǎn)),此時(shí)90°仿生足絲大部分已脫離基板表面;之后,θ=75°的仿生足絲逐漸脫黏,黏附力明顯下降,方向角為60°的仿生足絲受力增加至出現(xiàn)脫黏時(shí),束狀結(jié)構(gòu)整體的黏附力達(dá)到第三個(gè)極大值(c點(diǎn)),此時(shí)90°仿生足絲完全脫離基板;再之后,75°仿生足絲大部分脫離基板表面．重復(fù)此過(guò)程,直至所有結(jié)構(gòu)完成脫黏．由此可見(jiàn),方向角越高的仿貽貝足絲結(jié)構(gòu),其脫黏順序更為優(yōu)先．進(jìn)一步對(duì)比不同極值附近的脫黏力位移曲線(圖9(b)中的內(nèi)插圖),不難發(fā)現(xiàn),隨著束狀結(jié)構(gòu)逐漸脫黏,加載曲線的斜率逐步降低,而相鄰兩極值點(diǎn)間的位移量顯著提高．在逐步脫黏過(guò)程中,脫黏力階段性減小,使束狀結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)脫黏后不至于馬上完全失效,從而有效地延緩了脫黏過(guò)程,大幅提升了整個(gè)黏附體系的穩(wěn)定性．

6 結(jié) 論

本文主要研究了仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)因素與其黏附性能之間的關(guān)系,詳細(xì)分析了仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的足絲方向角、足絲線-斑塊連接位置以及斑塊底部形狀對(duì)黏附性能的影響．我們利用3D打印技術(shù)制備了仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)仿貽貝足絲結(jié)構(gòu),并通過(guò)脫黏實(shí)驗(yàn)和有限元模擬分析了不同因素對(duì)該結(jié)構(gòu)黏附性能的定量影響和力學(xué)機(jī)制,主要結(jié)論如下:

1) 方向角對(duì)仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)黏附性能有顯著影響,最優(yōu)方向角θm約為30°．

2) 足絲線-斑塊連接位置對(duì)黏附性能的影響與方向角有關(guān),在方向角較大(如75°和90°)時(shí),連接位置對(duì)黏附性能的影響顯著;而方向角較小(如其他角度)時(shí),連接位置對(duì)黏附性能無(wú)較大影響．

3) 在斑塊底部面積不變的前提下, 橢圓形斑塊底部的長(zhǎng)寬比對(duì)仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的黏附性能基本沒(méi)有影響．

此外,通過(guò)模擬自然界中束狀足絲從平面脫黏的情形,鋸齒狀的脫黏曲線表明,貽貝采用的多足絲黏附結(jié)構(gòu)具備強(qiáng)力的黏附性能,有利于其在湍急水流等惡劣環(huán)境中提高黏附的穩(wěn)定性．本工作期望通過(guò)研究仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)的形狀和幾何因素對(duì)黏附性能的影響,推動(dòng)對(duì)貽貝足絲強(qiáng)黏附結(jié)構(gòu)的理解,為仿生黏附器的研究和發(fā)展提供新思路．未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探索仿貽貝足絲結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境下的應(yīng)用,進(jìn)一步完善仿生結(jié)構(gòu)模型并拓展其應(yīng)用領(lǐng)域．