基于樹蛙腳掌的多級微納界面功能化專題，專訪北京航空航天大學陳華偉教授課題組

北京航空航天大學陳華偉教授課題組近期在《Advanced Science》發布最新研究成果“Micro–Nano Hierarchical Structure Enhanced Strong Wet Friction Surface Inspired by Tree Frogs”，其研究工作中涉及的高精密微尺度3D打印技術由深圳摩方材料科技有限公司提供，因此摩方公司就這一創新型成果進行更進一步的訪談，訪談對象為北京航空航天大學陳華偉教授，內容如下：

• 請問你們課題組主要在做哪方面的科研工作？對高精密3D打印的需求有哪些？

陳華偉教授：我們實驗室來自北京航空航天大學機械工程及自動化學院，長期從事微納表界面科學、醫工交叉等方面的研究工作。隨著現階段微納技術和生物科學的快速推進，對功能表面的制備提出了更高的要求，包括材質的多樣化、多材質的復合加工、微納結構的高精度化、多級復雜結構，以及大面積快速制備成型等。3D打印技術作為一種高精度結構成型技術，相比于半導體微納制備工藝在材料多樣性和復雜結構制備上有著更多的選擇。

• 能概述一下近期發布在《Advanced Science》的仿生相關研究所取得的突破和進展嗎？（開發過程、應用情況、行業影響等）

陳華偉教授：長久以來，樹蛙腳掌的強濕摩擦特性獲得了大量研究者的關注。與壁虎腳掌通過剛毛的范德華力產生粘附摩擦相比，樹蛙腳掌受到環境液體或自分泌粘液影響而無法形成范德華力，揭示其界面的強濕粘附機制，對探索微納流體和界面固-液微納耦合作用有著重大意義，也為精準醫療器械和可穿戴傳感等新興領域的界面接觸研究提供了基礎。

樹蛙常見的濕摩擦解釋為，其腳掌在外壓力作用下，通過表面溝槽擠排出界面液體，提高固-固接觸，增大摩擦，與車輪表面的紋路作用類似，但該原理與樹蛙腳掌無外力作用下的強摩擦相矛盾。另一種解釋是樹蛙腳掌分泌出粘性粘液，能夠將腳掌和基底粘合在一起，但通過測量腳掌粘液的粘度，發現其與純水幾乎無差異。樹蛙腳掌強濕摩擦之所以難以得到合理的解釋，主要原因在于粘液膜處于固-固界面之間，難以直接被觀察表征，其尺度又處于微納米級別，進一步加劇了表征難度。

本實驗室與清華大學雒院士團隊合作，通過薄膜干涉原理，建立了界面納米液膜原位表征方法，通過實時動態觀測薄膜干涉條紋運動，觀察到了納米尺度的界面液膜變化和液膜毛細力對棱柱的變形作用。經過估算，在棱柱和液膜間的固-液相互作用下，棱柱界面可以產生低于200 nm厚度的液膜，可形成7倍大氣壓吸附力使棱柱緊緊貼合基底表面。這就可說明樹蛙腳墊即使在沒有外壓力作用下，仍能夠產生極強濕摩擦。進一步在江雷院士的指導下，揭示了微納特征結構對界面液膜的調控規律，建立了納米液膜增強機制。張力文博士為本文第一作者。

本研究通過揭示樹蛙腳掌利用其微納多級結構形成的獨特界面液膜調控作用，發展出液膜自碎化增效和凹坑自吸附增強效應，通過在界面間形成的納米液膜的強毛細吸附作用，達到了無外壓力下產生強濕邊界摩擦的效果。為濕粘附增強提供了一種新的方案，為實現精準醫療、可穿戴傳感等領域的接觸增強提供了新思路和新方法。

• 請問，在該研究過程中，深圳摩方公司的高精密微尺度3D打印技術發揮了什么樣的作用？其帶來的效果或影響如何？

陳華偉教授：傳統三維加工工藝，如SU-8光刻或者半導體硅工藝等，適合加工投影類的三維結構，進一步復雜的三維結構也必須限制于能夠通過多次投影形狀復合，而對球、梯臺等非投影類三維結構，則難以通過以上方式制備，限制了微納理論的推進和仿生科學的研究。3D打印作為一種Bottom-up的制造工藝，不受結構本身形狀特征限制，能夠有效的解決球、梯臺等非投影類三維結構的制備問題。本項研究為了驗證粗糙對界面液膜影響，需要將粗糙基底表面放大、簡化成微米尺度的密排凸包陣列，3D打印制備方法為此提供了一種有效快速的解決途徑。相比于普通3D打印的低精度，BMF提供了2 μm精度的3D打印技術，能夠為本實驗提供更小尺度、更高精度的實驗樣品，從而更準確的驗證了研究理論的正確性。

論文信息：

Micro–Nano Hierarchical Structure Enhanced Strong WetFriction Surface Inspired by Tree Frogs

Liwen Zhang, Huawei Chen*, Yurun Guo, Yan Wang, Yonggang Jiang, Deyuan Zhang, Liran Ma,Jianbin Luo, Lei Jiang

論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1002/advs.202001125

• 北京航空航天大學陳華偉教授課題組

課題組來自北京航空航天大學機械工程及自動化學院，長期從事微納表界面科學、醫工交叉等方面的研究工作，師法自然，從自然中汲取創新靈感，在揭示生/機界面效應規律中首次發現了超濕滑、強濕摩擦及微納界面流體新現象與新機制，提出了生/機界面創新設計新方法，研制出仿生醫療器械及表面功能化制造設備，成功應用精準醫療器械防粘防滑，發表了國內機械工程學科首篇 Nature；在植/介入、可穿戴傳感技術領域，提出了微納結構仿生增效設計方法，研制出基于微結構信號增強的柔性生物信號傳感器。實驗室承擔30余項科研項目，包括國家自然科學基金重大、重點項目、國家重點研發計劃等，獲得國家自然科學基金杰出青年基金、“萬人計劃”創新領軍人才和日本 JSPS學者支持。發表研究論文 80 余篇，其中近五年發表 SCI 論文 30 篇包括Nature、Nature Materials、Advanced Materials 等，獲批專利 20 項，合著專著 4 部。

• 深圳摩方材料科技有限公司(BMF Material Technology Inc)

專注于高精密微尺度3D打印領域，是全球微尺度3D打印技術及精密加工能力解決方案提供商。目前，摩方擁有全球領先的超高打印精度（2μm/10μm/25μm），高精密的加工公差控制能力（±10μm/ ±25μm/±50μm），配置韌性樹脂、硬性樹脂、耐高溫樹脂、生物樹脂等打印材料，提供制造復雜三維微納結構技術解決方案，同時，可結合不同材料和工藝，實現終端產品高效、低成本批量化生產及銷售。