受蜜蜂梳启发的刚度梯度放大弹射器，用于固体颗粒排斥

一、【导读】

排斥异物的自然表面无处不在，对生物体至关重要。尽管许多生物体在表面能的驱动下具有显着的液体排斥性，但排斥表面微小固体颗粒的情况却很少见。来自香港理工大学王钻开教授、中山大学吴嘉宁副教授团队成以增强惯性输出至可克服原本微观尺度下占主导的粘附力，进而实现固体颗粒排斥。

在作者的研究中，蜂梳利用刚度梯度放大的弹射效应增强惯性输出，以克服微观尺度上占主导作用的粘附力，从而排斥粘附在表面的固体颗粒。进一步研制了仿生刚度梯度弹射器，并在太阳能板清洁测试中验证了其普适性与实用性，为开发仿生异质材料、基于弹射效应的软致动器和新型清洁机器人提供了新的仿生灵感。

二、【成果掠影】

研究团队通过纳米压痕测试表明，梳子的刚度梯度跨越近两个数量级，从尖端的约 25 MPa 到底部的约 645 MPa。这种刚度梯度放大了弹射效应，使梳子能够产生放大的惯性输出，克服了最初占主导地位的粘附力，从而击退粘附的花粉和灰尘。研究团队还开发了一种弹性仿生刚度梯度弹射器，并展示了其在实际应用中的潜力。相关研究成果以“Honeybee comb-inspired stiffness gradient-amplified catapult for solid particle repellency”为题发表在国际知名期刊Nature Nanotechnology上。

三、【核心创新点】

1、首次报道了蜂梳上的弹射驱动的固体颗粒排斥现象，揭示了刚度梯度放大的弹射效应，以增强惯性输出至可克服原本微观尺度下占主导的粘附力，进而实现固体颗粒排斥。

2、作者利用传统均匀设计中不可能实现的固体排斥性，构建了弹性仿生刚度梯度弹射器，并与太阳能板相结合，证明了其在构建自清洁系统以用于大型基础设施自维护的普适性及实用性。

四、【数据概览】

图1 蜂梳的固体排斥现象 © Springer Nature 2023

（a）蜜蜂在觅食时用前腿梳理触角

（b）蜜蜂天线清洁器的 SEM 图像

（c）由密集排列的毛发组成的半圆形梳子的 SEM 图像

（d）-（e）蜂巢固体排斥现象的光学图像和示意图

（f）梳理被25 μm颗粒污染的触角后，梳子表面几乎未受污染

（g）排斥颗粒和粘附颗粒的比例

（h）测量结果与基于重力的预测之间的粒子速度比较

图2 弹射驱动固体排斥性的关键要求 © Springer Nature 2023

（a）液体排斥性和固体排斥性的比较

（b）弹射器驱动的固体排斥过程中的受力分析

（c）直径dp和附着力Fa以及惯性力Fi之间的关系

（d）固体排斥性所需的临界加速度a和直径dp的关系

图3 刚度梯度放大弹射效应 © Springer Nature 2023

（a）蜂巢中从柔软尖端到坚硬底座的刚度梯度

（b）沿新鲜梳毛测量杨氏模量

（c）梳毛尖端的刚度梯度系数δ和最大加速度a以及临界直径dp的关系

（d）刚度梯度系数δ增强了弹性能量储存和能量转换时间之间的关系

（e）梳毛的位置依赖的固体排斥性能

（f）刚度梯度和空间位置影响下的固体排斥性的相图

图4 刚度梯度放大弹射机构在固体排斥中的应用 © Springer Nature 2023

（a）仿生 SGC 和具有均匀刚度的对照样品的杨氏模量

（b）基于SGC的机器人和太阳能电池板组成的自清洁太阳能系统的光学图像

（c）基于SGC的机器人与控制样本之间的最大加速度和排斥分数的比较

（d）采用基于SGC的机器人的系统可以产生比未受污染的系统更高的电力输出，并且远高于控制样本

五、【总结】

总之，研究人员证明，蜂梳表现为一个微型弹射器，利用刚度梯度放大的弹射机制来排斥粘附在表面的固体颗粒。基于这一固体排斥机制研发的仿生清洁器可用于太阳能板等户外基础设施的自动维护，极大节省人力成本。这一工作也可为生物材料、功率调制以及能量转换等领域提供仿生灵感。首先，这一软尖到硬基的刚度梯度也见于昆虫腿的粘附结构，可以提高粘附作用。蜂梳既需要将花粉从触角上去除又需要排斥附着的花粉，因此在用材料梯度来增强粘附性和增强排斥性之间存在权衡，值得进一步研究。其次，尽管可调节功率输出的弹射机制已在生物体中广泛体现，但进一步提高功率输出通常需要使用多个弹射器，此工作提出的刚度梯度放大的弹射机制提供了一种不需要增加额外组件的替代方案。最后，这一通过刚度梯度弹射器将弹性能转化为动能的生物学见解也加深了我们对自然界中高效能量转换的理解，并为开发仿生异质材料和功率放大系统提供了设计思路。

原文详情：

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。