今年仿生学成果精选!带你领略顶刊中的大自然奥秘!

subtitle 高分子科学前沿 10-20 14:17 跟贴 1 条

大自然是最伟大的匠师,它悄无声息地在人们的生活中留下许许多多令人叹为观止的杰作。随着仿生学的发展,大自然的杰作已逐一揭开神秘的面纱,进入人们的视线。仿生学是集动物学、物理学、化学、心理学和工程技术相结合的一门交叉科学。通过模拟自然界某物种的神奇构造和功能,人们能够改进现有的机械结构、新材料、新仪器和工艺研究,创造出许多适用于生产、学习和人们生活的先进技术。在各个领域的研究中,仿生学一直是研究的热点,经常活跃于各大顶刊。在这里,精选了今年仿生学的部分成果,让我们来一起揭开自然界的奥秘!

1.《AFM》:4D打印带倒刺的仿生微针阵列!增强组织附着力!

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自然界的某些生物具有高组织粘附力的微针,例如寄生虫的微钩、蜜蜂的尾刺针、豪猪的针毛。美国罗格斯大学Howon Lee意大利比萨大学Giuseppe Barillaro合作团队提出一种采用4D处理打印技术制造具有后向曲面倒钩以增强组织附着力的仿生微针。结果表明,含有倒刺结构的仿生微针的组织附着力是普通微针的18倍,在经皮下给药、组织伤口愈合、长期体内药物传递和生物传感方面具有丰富的应用前景(详细解读:)。

图1 利用4D打印制备仿生微针

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201909197

2.《Matter》:法向纤维增强的仿生鮣鱼吸盘!

鮣鱼能利用自己头顶上的吸盘长时间稳定地吸附在其它海洋生物身上,如鲨鱼、海龟和蝠鲼等,并借助这些宿主生物到达遥远的目的地,从而节省自身游动所需的能量。北京航空航天大学材料科学与工程学院管娟副教授机械工程及自动化学院文力教授等人探索了天然鮣鱼唇圈组织和仿生吸附材料的内部结构-力学性能-吸附功能关系,为未来研究高吸附性能的天然和仿生材料提供参考,并有可能为未来黏附装置,机器人的结构与柔性驱动等方面提供新的设计思路(详细解读:)。

图2鮣鱼及唇圈组织内的取向胶原纤维结构

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.01.018

3.《Science Advances》:仿猎豹迄今速度最快软体机器人

柔性材料有一些天然缺陷,比如响应慢及力量小等,因此大多数软机器人运动速度较为缓慢。而猎豹的脊背柔软且富有弹性,通过拉伸背部肌肉来控制脊背的快速弯曲以及伸长,来实现高速奔跑。北卡州立大学尹杰教授团队科罗拉多州立大学赵建国教授以及纽约市立大学苏浩教授团队合作,通过巧妙利用双稳态间的快速跳转,实现了可以像猎豹一样奔腾的快速奔跑软机器人。既可以实现水下软机器人的快速游动,又可以用于可调节抓力的软机器人抓手(详细解读:)。

图3双稳态软机器人设计图

https://advances.sciencemag.org/content/6/19/eaaz6912

4.《Matter》:鱼鳞的秘密被揭开!

鱼鳞具有非常坚韧的特点,给鱼去鳞需刮除而非强行破坏。鱼鳞是鱼坚硬的盔甲,但鳞片在鱼游动时却不会折断。美国劳伦斯-伯克利国家实验室加州大学圣地亚哥分校加州大学伯克利分校的研究团队揭示了鲤鱼鱼鳞的多级结构及其在应力下对应的微观结构变化是鱼鳞坚韧之奥秘所在。研究人员目前正研究通过3D打印合成类鲤鱼鱼鳞结构的材料。这些材料有望制备质轻坚韧的护甲等(详细解读:)。

图4鲤鱼鱼鳞的整体结构

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520302447

5.《AFM》:仿天然软骨的双层水凝胶实现高负载与低摩擦!

关节软骨与滑液接触的外部区域具有高的水含量,能最大程度地降低关节滑动摩擦;较厚的中部和深部区域,具有较高的胶原纤维密度,可提供表面下的接触应力衰减。中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室周峰团队英国帝国理工学院Daniele Dini团队报道了一种模仿天然软骨的双层水凝胶材料。最顶层的软聚合物层可提供有效的水性润滑,而作为基材的硬水凝胶层可提供承重能力。这项工作为开发仿生软骨的超低摩擦软材料开辟了新的技术路线(详细解读:)。

图5 双层水凝胶材料的制备

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202004062

6.《Advanced Science》:树蛙脚掌的多级微纳界面湿增摩效应规律研究

树蛙作为一种生活在湿环境的两栖动物,其脚垫可在无需额外压力下产生强湿粘附/湿摩擦。北京航空航天大学陈华伟教授课题组,在江雷院士、雒建斌院士、张德远教授等的指导下,表征了树蛙脚掌表面的微纳多级六棱柱及纳凹坑结构,发现了生/机接触过程中微纳特征结构/材质协同作用下的两种特殊液膜界面效应,提出了强湿摩擦表面仿生设计方法,并将其应用到仿生手术夹钳、仿生可穿戴传感装置上,验证了仿生湿增摩的有效性(详细解读:)。

图6 树蛙脚垫结构表征

http://dx.doi.org/10.1002/advs.202001125

7.《Nature Materials》:螳螂虾的抗冲击结构揭秘!

螳螂虾捕食时,能通过它“胳膊肘”的高应变率撞击来破坏软体动物的外壳,并且自身不受高应变率撞击带来的影响。美国加州大学河滨分校David Kisailus等人研究发现,螳螂虾的“胳膊肘”包含一种耐冲击涂层,在高应变率(约104/s)的影响下,粒子形成位错并发生非晶化。互穿的有机网络可提供额外的增韧效果。因此,螳螂虾的“胳膊肘”拥有刚度和阻尼的巧妙组合,胜过许多工程材料(详细解读:)。

图7 螳螂虾“胳膊肘”的撞击面

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0768-7

8.《AM》:仿生昆虫表皮硬化的强力胶用作医用粘合剂!

硬化后的昆虫外骨骼的杨氏模量极高(1-20 GPa),能与尼龙、聚乙烯、对苯二甲酸酯和聚苯乙烯等普通塑料相仿。韩国科学技术院Lee Haeshin等人使用苯酚和多胺分子模拟硬化过程,得到了100%生态友好且生物相容的水性超级胶,其粘合强度可与商业3M环氧胶媲美。由于强粘性,强力胶可在几秒钟内有效密封伤口。该强力胶的简单、经济、高效的制备方法有望彻底改变各种工业、生物医学以及日常生活(详细解读:)。

图8 模仿昆虫硬化过程的酚/多胺强力胶

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002118

9.《Nature Electronics》:仿蝗虫的无人驾驶防撞探测器!

蝗虫体内的碰撞监测神经元却能够让它们在几毫秒内以极低的能量计算出复杂的碰撞动力学,从而安然逃生。美国宾州州立大学Saptarshi Das课题组巧妙地创建了一个极低功耗的动态、非易失且可重构的碰撞躲避监测系统来模拟蝗虫体内的LGMD神经元。该系统能够及时的探测即将发生的碰撞,并以纳焦耳级别的能量消耗触发逃逸反应(详细解读:)。

图9 蝗虫体内的碰撞躲避系统与人造模拟器件

https://www.nature.com/articles/s41928-020-00466-9

10.《NC》:骨骼肌启发的溶胀强化水凝胶!

骨骼肌的收缩可以通过增加血流量来激活其相关的肌肉。因此,充血能导致肌肉硬度大大增加。相比之下,人工合成的材料由于网络的稀释而呈现出典型的溶胀-弱化现象。上海交通大学医学院刘尽尧教授等人报道了通过骨骼肌启发策略实现的聚合物材料的溶胀强化现象。膨胀触发的自增强功能可以用来开发各种动态材料(详细解读:)。

图10 溶胀强化行为的示意图

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18308-9

11.《PNAS》:仿猪笼草结构表面可在潮湿环境中连续收集和输送水

在自然界中,自然生物通过独特的结构(如圆锥形的仙人掌簇,周期性的纺锤节和蜘蛛丝的关节,多形棘突棘和瓶子草的毛状体)将雾逐滴凝结收和运输。江雷院士、董智超等人揭示了猪笼草植物的骨膜上水滑层的生成机理,并证明了多曲率增强的优良集水和运输能力。用水浸透的蠕动表面可以进一步将水的传输速度提高约300倍。这种多尺度曲率设计的灵感为水和有机蒸汽收集器提供了可行性策略,并可延伸至蒸发塔,化学工业,实验室甚至厨房的应用范围(详细解读:)。

图11 猪笼草结构及集水机理图

https://www.pnas.org/content/early/2020/09/03/2011935117

12.《Nature》:仿生果蝇眼角膜的防反射涂层实现应用!

包括果蝇在内的许多昆虫能在夜间飞行自如,这是因为它们的眼睛都被一层薄而透明的涂层覆盖。该涂层由微小的突起组成,具有减少光反射的作用。此外,该涂层还具备出色的抗粘性能,能为昆虫的眼睛提供物理保护,以防止空气中微小的灰尘颗粒。瑞士日内瓦大学Vladimir L. Katanaev教授等人证明了果蝇角膜上纳米涂层的形态和功能之间的明确联系。作者实现了对各种具有昆虫样形态、抗粘连或抗反射功能的人造纳米涂层的前瞻性设计,并提供了一种通过可生物降解的材料来低成本地生产功能纳米结构涂层的方法(详细解读:)。

图12 果蝇角膜纳米涂层的结构,功能和组成

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2707-9

总结:自然界还有很多神奇的奥秘等着我们去探索,通过仿生,人们能够创造出许多适用于生产、学习和生活的先进技术。相信今后会有更多仿生学的成果进入大家的视线,期待着更多大自然的奥秘被学者们所揭开!

来源:高分子科学前沿

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