3D打印仿生“麥芒”智能調控裝置問世

　　野生麥子如何鉆進土壤，實現野外自適應播種？麥芒卡到嗓子里，為何越咳越深？這些看起來不起眼的現象背后，隱藏著尚未被認識的科學機制，即摩擦各向異性。中科院蘭州化學物理研究所材料表面與界面行為研究組系統揭示了這些現象背后的科學機制，并據此研發了3D打印仿生“麥芒”智能調控裝置。該成果日前發表于《微尺度》及《先進材料界面》雜志。

　　論文通訊作者、中科院蘭州化物所研究員王曉龍介紹說，科研人員觀察野外采集的麥芒樣本發現，麥芒上分布著許多堅硬倒刺。其摩擦學性能測試呈現出往復運動過程中摩擦系數隨方向改變的特點，即摩擦各向異性特征。

　　隨后研究人員做了一個有意思的實驗：他們將麥芒放入橡膠管內，當拉伸橡膠管時發現麥芒可在管內定向移動，且移動速度隨著拉伸頻率的加快而增大。受此啟發，研究人員通過光固化3D打印技術，成功制造出仿麥芒模型體。

　　同天然麥芒相比，人造麥芒上面的倒刺尺寸、排布密度和傾斜角度可自由調控，并能夠很好地與被接觸基底表面進行相互作用，實現摩擦各向異性的最大化。這為其在定向驅動和貨物運輸方面的應用提供了基礎。實驗表明，一個質量僅0.01克的3D打印仿麥芒模型體，可驅動質量高達120克的貨物在克服水平摩擦力的條件下產生定向移動。

　　為更深層次地認識仿麥芒定向遷移機制，中科院蘭州化物所和英國帝國理工學院科研人員合作，采用棘輪模型從界面接觸力學和摩擦學角度，對實驗結果背后的科學機制進行了系統詮釋，并建立了相應的數學模型。

　　雖然實現了麥芒的仿生制造，但如何從被動走向主動、實現摩擦各向異性的動態調控始終困擾著研究人員。仿生麥芒上倒刺傾斜角度是死的，不能自由活動，這意味著定向遷移是不可逆的，制備出的器件面臨著易進難退的問題。

　　針對這一問題，研究人員結合材料模量調控，設計構筑了基底強度和表面倒刺取向角度可動態調節的仿生表界面材料，初步實現了仿生取向結構表界面各向異性摩擦行為的智能調控。

　　研究人員采用轉移復制的方法，將3D打印得到的倒刺結構埋植于加了光熱四氧化三鐵納米粒子的聚乳酸基底中。近紅外照射下，光熱四氧化三鐵納米粒子生熱導致基底材料軟化，其表面取向性倒刺在載荷動態作用下角度可原位發生改變，從而引起正反兩個方向的摩擦力差異發生顯著改變，實現了仿生表面各向異性摩擦行為的動態調控。

　　這種光熱響應的摩擦各向異性材料可被用作智能開關，實現物件在斜坡或垂直方向的可控釋放。基于以上研究結果，研究人員正致力于開發一系列各向異性摩擦器件，未來將積極探索其在工程以及生物醫療領域的應用。