本文是一篇综述性论文，题为《仿生材料在水下粘附中的应用及可切换粘附的路径》，由Chanhong Lee、Huiqi Shi、Jiyoung Jung、Bowen Zheng、Kan Wang、Ravi Tutika、Rong Long、Bruce P. Lee、Grace X. Gu和Michael D. Bartlett等作者共同撰写，发表于2023年10月18日的《Cell Reports Physical Science》期刊上。该论文探讨了在水下或湿润表面上实现强粘附的挑战，尤其是如何实现快速附着、高粘附力和易于释放的可切换粘附。论文通过借鉴自然界中如章鱼和贻贝等生物的粘附机制，提出了仿生材料设计的路径，并展望了未来在这一领域的研究方向和应用前景。
水下或湿润表面的强粘附是许多生物生存的关键能力，也是众多技术应用中的需求。然而，现有的商业粘合剂大多只能在干燥环境中表现出良好的粘附性能，而在湿润或水下环境中，粘附性能显著下降。自然界中的生物，如章鱼和贻贝，展示了从永久性粘附到可逆粘附的多种粘附机制，这为设计合成粘附材料提供了丰富的灵感。章鱼通过其触手上的吸盘结构实现快速附着和释放，而贻贝则通过特定的表面化学物质（如3,4-二羟基苯丙氨酸，DOPA）和蛋白质基的粘附斑块实现永久性粘附。这些生物机制为开发具有可切换粘附性能的水下粘附材料提供了重要的参考。
论文主要围绕以下几个方面展开讨论：
自然界的湿润粘附机制
自然界中的许多生物能够在湿润或水下环境中形成强粘附。例如，贻贝和藤壶通过分泌特殊的粘附蛋白附着在湿润表面上，而树蛙则通过微结构化的脚垫在湿润环境中实现被动可逆粘附。章鱼和吸盘鱼则通过吸盘结构实现主动的可切换粘附。这些生物机制为设计仿生粘附材料提供了重要的灵感。
粘附材料和几何结构的设计
仿生粘附材料的设计主要集中在两个方面：一是通过控制界面化学组成或功能特性来实现粘附，二是通过控制粘附结构的几何形状来实现被动或主动的粘附控制。例如，贻贝和藤壶启发的粘附材料通常基于多蛋白复合物，而树蛙和章鱼启发的粘附材料则通过微结构化的几何形状实现粘附。这些设计在生物医学、机器人等领域具有广泛的应用前景。
粘附材料的化学特性
除了结构设计，动态化学也被用于实现可切换的水下粘附。例如，贻贝通过分泌含有高浓度DOPA的粘附蛋白实现强粘附，而DOPA的氧化状态可以通过pH值或电化学方法进行调控，从而实现粘附的可切换性。此外，研究人员还开发了基于动态交联剂的粘附材料，通过调控交联剂的断裂和重组来控制粘附强度。
水下粘附的建模与测试
高精度的建模和可靠的实验测试对于设计和优化水下粘附材料至关重要。论文回顾了干粘附材料的建模和测试方法，并探讨了水下粘附的独特挑战，如界面脱水动力学和化学键合的影响。此外，论文还讨论了吸盘结构的建模和优化，以实现强且可切换的水下粘附。
数据驱动的粘附材料设计
近年来，数据驱动技术（如人工智能和机器学习）在材料设计中得到了广泛应用。论文探讨了如何利用这些技术加速水下粘附材料的设计和优化。例如，贝叶斯优化和遗传算法可以用于寻找最优的材料和结构参数，而生成对抗网络（GANs）和变分自编码器（VAEs）则可以用于生成高性能的粘附材料设计。
论文总结道，水下或湿润表面的强粘附在组织粘附和机器人等领域具有重要的应用价值，但实现可切换粘附仍然是一个重大挑战。通过借鉴自然界中的生物粘附机制，并结合材料、几何、建模和设计工具，研究人员可以开发出性能优异的仿生粘附材料。未来的研究应进一步结合多种仿生设计策略，并通过多学科合作加速材料的发现和优化。
这篇综述论文不仅系统地总结了当前仿生水下粘附材料的研究进展，还提出了未来的研究方向和应用前景。通过借鉴自然界的粘附机制，并结合先进的材料设计和数据驱动技术，研究人员有望开发出性能远超现有材料的水下粘附系统。这篇论文为相关领域的研究人员提供了重要的参考和启发。