2月26日，国际知名期刊《Matter》（《Cell》姊妹刊）在线刊登了北京航空航天大学材料科学与工程学院管娟副教授和机械工程及自动化学院文力教授的最新研究成果——天然和仿生鮣鱼吸盘的法向纤维结构和结构-功能关系（VerticalFibrous Morphology and Structure-Function Relationship in Natural andBiomimetic Suction-based Adhesion Discs）。该研究涉及到生物、材料、机械等研究领域交叉，北航为唯一通讯单位。材料学院硕士生苏思伟为该文第一作者，机械学院博士生王思奇、李磊、谢哲新参与仿生吸盘和驱动器设计与测试及文章撰写，材料学院硕士生郝福超和王绍凯讲师参与纤维增强复合材料制备，中法工程师学院硕士生徐金梁参与有限元分析。管娟副教授和文力教授为该项目共同通讯作者。

鮣鱼（学名：Echeneis naucrates）利用自己头顶上的吸盘可以长时间稳定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。科学家们将这种行为形象地称为搭便车（hitchhike）。鮣鱼吸盘结构复杂，其中主要包括：可增加吸附摩擦力的鳍片(lamellae)、钙化的骨质小刺 (spinules)，以及可密封、实现负压吸附的外围唇圈组织（disc lip tissue）。鮣鱼唇圈可以承受自身重量数百倍的法向力，但截至到目前为止，其唇圈的内部形态学结构尚未见报道。

课题组研究人员首先对鮣鱼吸盘唇圈组织进行电镜和组织切片分析，发现其展现出典型的结缔组织特征：由细胞和细胞外基质组成，可见大量胶原纤维和少量弹性纤维。唇圈组织包含粗糙的皮肤表层、皮下浅层和中央组织层（图1所示），而中央组织层中竖直排列着大量纤细、独特的胶原纤维。这一独特的法向纤维结构是否是为增强吸附功能进化而来？

图1鮣鱼及唇圈组织内的取向胶原纤维结构

为了探索这个问题，课题组决定通过仿生样机重现这种结构，研究人员采用静电植绒技术将尼龙纤维（杨氏模量约为2 GPa）“长”在了硅橡胶里（图2所示），快速高效、低成本地实现了竖直纤维以可控的面密度（最高面密度8%）同硅橡胶复合。所制得的复合材料纤维/基体界面较好。根据鮣鱼天然吸盘形态学参数，法向尼龙纤维/硅橡胶复合材料被进一步加工成仿生鮣鱼吸盘（图3所示）。

图2静电植绒技术制备法向纤维结构

图3具有法向纤维结构的仿生鮣鱼吸盘

研究人员对天然鮣鱼吸盘唇圈组织和仿生复合材料的径向、周向和法向三个方向进行准静态、动态力学性能测试，发现仿生复合材料样机具有与天然唇圈组织相似的力学各向异性和粘弹性行为。具体表现在高法向拉伸模量（~1 MPa）和低的法向压缩模量（~70kPa），抗拉伸蠕变性能提高和蠕变曲线与天然鮣鱼唇圈组织接近。

这一法向纤维结构是否能带来吸附功能的提升？课题组选取三种材料制成仿生鮣鱼吸盘，进行吸附性能测试：纯软硅橡胶（Ecoflex, E~55 kPa），纯硬硅橡胶（Mold Star, E~662 kPa）和仿生复合材料。吸附条件包括光滑和粗糙（Ra=200 μm）两种吸附表面和变化的吸附预压力、脱附力、内外腔压强差和吸附时间。结果显示，具有法向纤维的仿生吸盘，兼具软质和硬质硅橡胶吸盘的优势：在光滑和粗糙都具有400 N的高吸附力（图4所示）。与纯软基体硅橡胶吸盘相比，仿生吸盘实现了35%的吸附力提升。在恒定50 N负载、水下粗糙表面（Ra=50 μm）条件下，仿生吸盘相对纯橡胶基体吸盘，吸附时间也实现了约340%的提升。同时，课题组制作了具有法向纤维的圆形吸盘，发现法向纤维设计可以提升50%以上脱附力。

图4仿生吸盘在光滑和粗糙表面相对纯硅橡胶材料具有更优异的吸附性能

课题组更多实验表明，包含法向纤维的仿生吸盘可以吸附在潮湿、形状不规则、易变形、带有一定曲率的物体表面（图5所示）。课题组还尝试将带有法向纤维的硅橡胶复合材料与软体硅胶驱动器相结合，实现了伸缩、单向弯曲，S型弯曲等多个动作。展示了法向纤维复合材料在软体机器人上具有的潜在用途。

图5仿生吸盘的吸附功能和作为驱动器的驱动展示

这项工作从基础研究角度出发，探索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。

该项目得到了中央高校基本科研基金、国家自然科学基金共融机器人重大研发计划等的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.01.018