这是一篇报道单一原创研究的科学论文。在以下报告中，通过综合分析论文内容，对此研究进行了全面介绍。

基于纳米纤维的仿生高湿滑摩擦界面研究

作者与研究背景

这项研究题为《Nanofiber Embedded Bioinspired Strong Wet Friction Surface》，作者包括 Yurun Guo、Liwen Zhang、Yan Wang 等人，主要来自北京航空航天大学的机械工程与自动化学院以及中国科学院物理与化学技术研究所。论文发表于《Science Advances》期刊，出版日期为2023年10月12日。这是一次综合生物学与工程学的创新性研究，以中国灌丛蝈蝈（Gampsocleis gratiosa, Tettigoniidae）为研究对象，灵感来源于其复杂的微纳米柱状结构，用于提升高湿环境下的摩擦性能。

研究背景方面，文章提到湿附着在生物接触界面中普遍存在，其应用包括医疗器械（如手术夹持器）和可穿戴式电子设备。然而，由于接触界面之间存在液体薄膜，传统设备容易在生物表面滑落，导致组织损伤或检测失败。现有的改进方法多依赖于分子键结合的软聚合物材料或真空吸附装置，但这些方法存在低重用性、需要额外的密封或预压紧力等不足，限制了其应用范围。

文章借鉴自然界的湿附着原理，例如树蛙的足垫，其独特的微纳米柱状结构形成纳米级液体桥，能在无额外压力的情况下提供强大的湿边界摩擦。然而，这种机制在滑动过程中易因液膜破裂而失效。因此，如何在界面软结构变形的情况下保持纳米薄液膜的稳定性成为关键。

此次研究的重点是中国灌丛蝈蝈的附着垫，通过模仿其纳米纤维嵌入柱状结构的特性，开发了一种仿生湿附着表面，证明其在医疗与可穿戴电子设备中的可行性。

实验流程与研究方法

研究整体流程
研究分为以下几个阶段： 1. 自然模型研究：首先对蝈蝈和树蛙的脚垫微结构进行了详细的显微图像分析和摩擦性能测试。 2. 仿生表面构建：以灌丛蝈蝈为灵感，通过阳极氧化铝模具复制与光刻技术制备了纳米纤维柱阵列（Nano-Fibrous Pillar Films, NFPF）。 3. 摩擦性能测试：通过一系列摩擦实验，比较仿生表面与自然模型的性能差异。 4. 界面液体动力学观察：通过高速摄影，观察滑动过程中仿生表面纳米液膜的动态行为。 5. 理论模型验证：基于有限元分析(FEA)仿真计算，对比NFPF与其他柱状结构的界面应力分布。

研究对象与过程细节
研究对象主要是灌丛蝈蝈和树蛙的附件垫，这两种生物均具有湿附着能力强的特点。在实验中，检测了两种脚垫的摩擦力变化、界面分泌液薄膜状态，以及滑动中的柱状结构变形过程。

制造仿生表面时，生成了三种类型的支柱阵列：树蛙的Bulk Pillar (BP)结构，蝈蝈的Nano-fiber embedded pillar (NFPF)结构，以及由自组装纤维组成的Hexagonal pillar array (PSAN)。在实验中，将去离子水铺在不同表面上，通过玻璃基板的反复水平滑动记录摩擦力和液膜薄厚动态。

自创实验方法： - 制备过程中，研究结合阳极氧化铝成型与光刻技术，实现了多尺度微纳米柱阵列的精准复制。 - 使用高速显微摄影和液膜干涉测量，联合分析了表面结构形变与界面液体流动动态。

实验结果与发现

蝈蝈与树蛙附件垫的结构和性能对比
文章指出，蝈蝈的脚垫表面由微米级六边形柱构成，而每根柱中嵌入了直径约100纳米的纤维。这种柱状结构还可维持液态界面分泌液从柱体间隙渗透到表层，更紧密贴合粗糙基底。相比之下，树蛙的柱为实心并缺乏纤维嵌入。这一差异使得蝈蝈在湿润平滑界面上的附着力约为树蛙的3.8倍。

在摩擦试验中，光滑的玻璃基板与蝈蝈的垫表面滑动，液膜的分布均匀性和柱体的分离位置均发生显著不同。蝈蝈的柱阵列形成了均匀分布的纳米液体薄膜，并显示出前侧优先分离的特性，这种特性提升了摩擦力。

仿生表面实验对比
NFPF展示了显著的摩擦增强能力。与BP相比，同等高度的NFPF表面在边界摩擦状态下表现出1.9倍的摩擦提升。这种增强主要依赖于柱形结构的“伸展变形”模式，能够将界面应力从压缩状态转变为拉伸状态，同时显著提升液膜稳定性。

实验还分析了支柱高度、表面粗糙度、柱直径等因素对摩擦性能的影响： - 随柱高度增加，NFPF的摩擦性能逐渐增强，最佳高度为30微米。 - 支柱越小，NFPF表面越能在粗糙基底上维持良好的摩擦性能。

理论分析与模拟结果
借助有限元分析，研究者阐明了NFPF在摩擦界面的力学行为。与均匀压力分布的BP相比，NFPF内部的纤维有效分担了拉伸应力，形成了“界面应力分裂效应”（Self-splitting Effect），从而提高了柱阵列的整体摩擦力。

结论与研究意义

1. 研究发现并验证了中国灌丛蝈蝈的独特层级微纳柱体结构，这一结构以嵌入长纤维的方式，大幅度强化了湿环境下的摩擦性能。
2. 提出的NFPF仿生表面技术，通过设计压力分布与提升液膜稳定性，展示了卓越的性能提升。这种仿生表面在可穿戴健康监测、柔性生物电子设备等领域具有广泛应用前景。
3. 文中构建的理论模型不仅揭示了柱状结构的界面应力传递规律，还为未来更多仿生设计提供了理论依据。

研究亮点

1. 实验首次揭示了蝈蝈脚垫在微纳米尺度下特殊的分层嵌入式纤维结构。
2. 提出了界面应力从压缩到拉伸的转变理论，这是纳米液体桥稳定性提升的核心机制。
3. 仿生NFPF表面在不规则基底和潮湿环境下表现出强大的适应性和耐用性，使其成为柔性可穿戴设备的理想界面材料。

总的来说，该研究在湿附着设计领域提供了新的视角，通过实现对自然界湿摩擦机制的深入理解及其工程化重构，不仅为生物物理学、表面科学等领域带来了启发，也为未来医疗工程及柔性电子设备的进一步优化奠定了技术基础。