生物界面力学 · 仿生可控黏附

极端环境可控黏附机制与蜜蜂爪垫界面力学仿生研究

2024 年 1 月—至今 · 项目负责人

国家自然科学基金（5237052667）与北京市科技新星计划（20240484712）资助

围绕蜜蜂足垫的固–液–气三相接触，研究微结构与液体分布对黏附的调控作用，并将其转化为兼顾湿态承载、液体输运与可控释放的人工界面。

研究问题：湿润界面如何兼顾承载与释放

湿黏附依赖界面液体形成液桥，但液体积聚也可能改变接触状态，造成滑移或剥离。对可重复抓附机构，切向承载与法向释放需要分别调控；对皮肤贴片，还需在维持附着的同时排出持续产生的汗液。

项目以课题组关于蜜蜂足垫三相界面的前期研究为机制基础，开展层级黏附结构与定向液体输运设计，并通过湿态皮肤附着和生理信号采集验证界面功能。项宇负责项目统筹、实验表征与结构设计，是湿态黏附贴片论文的共同第一作者、学生第一作者。

蜜蜂足垫表面由条纹状褶皱和凹陷的多边形微框架构成。Cryo-SEM 对足垫及足印的观察显示，分泌液并未完全填满接触区，液膜中仍存在局部气穴。AFM 提供表面高度与模量信息，干涉反射显微观察进一步支持三相接触的存在。

因此，足垫不能仅按连续液膜与平面接触处理。微框架几何、液体体积和气穴分布共同决定液桥形态，是解释方向性黏附和建立人工结构参数的关键。

蜜蜂足垫接触、展开与形变的显微记录。

前期研究通过单足垫法向、切向力测量与三相界面模型，分析两类增强机制。液体自吸效应使分泌液沿微框架重新分布，改变液桥高度和弯月面曲率，从而调节毛细作用与法向黏附。

气穴抗剪效应来自切向加载时气穴两侧弯月面的不对称变形：界面压差为切向承载提供附加阻力。适当的微框架尺寸与较少的液量，可在保持切向附着的同时降低法向脱离负担，为稳定支撑与快速抬足提供机制解释。

对应的设计变量包括微框架宽度、凹腔几何、液桥高度和润湿性。设计目标是根据承载方向与释放方式调节接触状态，而非单独追求更大的法向黏附力。

在出汗皮肤上，连续液膜会削弱贴片接触并干扰电信号。锥形微沟槽黏附贴片（CMAP）将蜜蜂、树蛙足垫的层级黏附结构，与鸟喙锥形毛细输运和猪笼草微沟槽导流特征结合，在同一复合膜中分别承担附着与排液功能。

该结构保留形成液桥所需的局部湿润状态，同时疏导过量液体。模拟汗液供给实验中，平面 PDMS 对照出现液体鼓包和外溢，CMAP 则将液体沿通道排出。

验证从接触力、液体输运和器件功能三个层面展开。法向与切向测试比较结构在不同预载和润湿条件下的响应；透湿实验评价持续排液能力；皮肤电信号测试检验界面在水分和运动扰动下的稳定性。

验证项目	代表性结果	实验条件与范围
湿态皮肤附着	悬挂 200 g 载荷，并进行手腕转动演示。	局部湿润皮肤上的承载演示，不代表最大负载。
水蒸气透过率	黏附侧至纤维侧方向约为商用 ECG 贴片的 2.7 倍。	与 XUNDA X-1 对比；50 °C 加热平台，环境 26 °C、45% RH。
ECG 与 sEMG	干燥、湿润及流水条件下记录 ECG；不同负重下记录可区分的肌电响应。	皮肤电极测试；肌电采用不同负重的屈臂动作。

这些结果表明，排液通道可在汗液持续产生时维持接触界面，减少液体积聚引起的剥离与信号扰动。成果发表于 Advanced Science（2026）。

面向异形曲面与非合作目标，进一步将局部黏附单元与刚柔耦合支撑结构结合，分别处理柔顺贴合、载荷传递和顺序释放。