关于自然启发的粘附机制：一项生物粘附表面及其应用的系统综述
本报告基于发表在 Chem. Soc. Rev. (2024, 53, 8240–8305) 的标题为 “Nature-Inspired Adhesive Systems” 的综述文章，探讨自然界多样化的粘附表面及其仿生应用。该研究由 Ming Li、Anran Mao、Qingwen Guan 和 Eduardo Saiz 等学者共同撰写，涉及科研机构包括帝国理工学院、斯德哥尔摩皇家理工学院和格拉斯哥大学。文章全面回顾了自然界和人工粘附表面在干性和湿性粘附、刺激响应智能粘附表面，以及粘附表面表征技术等方面的研究进展，同时总结了未来研究的挑战及发展方向。
自然界中许多生物在进化过程中形成了高度优化的粘附策略，这些策略主要依赖于生物表面的微观和纳米结构或化学成分。例如，壁虎脚垫的分级微观结构使其能够在垂直表面攀爬；而青蛙脚垫分泌的粘液增强了其在湿滑表面的附着能力。理解这些自然粘附现象的基本机制，不仅对揭示界面粘附理论有所助益，还为开发人工高性能粘附材料提供了重要设计启示。
本综述的目标是在分析自然界典型粘附机制的基础上，揭示生物启发型人工粘附材料的制造方法及其在各种领域中的应用（如软体电子、爬墙机器人和生物医学工程）。文章特别关注智能粘附系统的发展，以适应极端环境下的粘附需求，例如深海或太空探索场景。
文章首先定义了界面粘附的基本特性，并阐述了不同类型的界面作用力，如范德华力、电静力、磁力，以及毛细力等。这些力在生物系统与其接触基底之间的复杂界面交互中发挥了重要作用。例如：
此外，文章还详细比较了不同系统的粘附机制，包括干性粘附（Dry Adhesion，如壁虎）、湿性粘附（Wet Adhesion，如青蛙）、以及水下粘附（Underwater Adhesion，如章鱼）。
干性粘附材料
通过模仿壁虎脚垫的分级纤毛结构，研究者成功开发出分级纳米/微米柱状仿生结构，从而显著提高干性仿生胶带的可逆粘附能力。这类材料已在精密制造及爬墙机器人中展现出广阔的应用前景。
湿性与水下粘附材料
基于章鱼吸盘的仿生研究表明，仿生吸盘在湿滑及水下环境中能实现强有力的粘附。这种粘附机制不仅依赖负压吸力，还需依靠微纳级毛发结构确保有效密封性。此外，基于青蛙脚垫的仿生材料则利用粘液润湿理论，在环境变化的情况下提供稳定的粘附能力。
智能粘附材料
文章对近年来兴起的响应性粘附表面作了深入分析。智能材料能够对光、湿度、温度、pH 值等外界刺激作出响应，动态调节其粘附性能。这为航空航天及深海探测领域的极端环境应用提供了重要支持。
文章详细介绍了多种粘附表面的力学及功能性分析技术，包括：
- 固-液界面粘附表征（如接触角滞后测量、滑动角测试），用于评估液滴同固体表面的粘附性能。
- 固-固界面粘附测试（如剥离测试、剪切测试），用于量化干性胶带等材料的粘附强度与能量耗散。
- 水下粘附测定：通过控制液桥厚度和应力分布精确表征水下复杂条件下的粘附性能。
为了标准化粘附测试方法，文章还对不同粘附体系提出了优化实验几何结构和参数校正方法。
干性粘附
典型实例包括壁虎脚垫和狼蛛足部的分级纤毛结构，以及蚁类粘附器的微米级末端吸附单元。
湿性粘附
通过联合吸盘作用进行粘附的例子包括章鱼、吸盘鱼和山地鱼。文章指出，这些动物粘附系统往往同时结合吸附压力和分级摩擦补偿机制。
基于粘附蛋白的湿性和干性粘附
海洋软体动物（贻贝）的足丝能够在潮湿环境中通过分泌的多巴胺（DOPA）蛋白形成稳定的共价键，确保其对基底的强附着力。类似机制也出现在沙堡虫（建造砂管结构）及植物（如常春藤）等系统中。作者认为，这类粘附蛋白提供了未来仿生胶粘剂设计的化学启示。
本综述通过系统整理自然启发的粘附研究进展，首次系统性地对比了不同生物粘附系统的独特性，明确了目前仿生粘附研究中的关键挑战，包括：
- 在极端外界条件（如高湿、高温或盐度变化）下保持粘附性能的长期稳定性；
- 开发兼具高强度和高精度响应性能的新型智能粘附材料；
- 探讨不同粘附机理间的协同作用以优化人工粘附表面的多功能性。
研究者指出，未来通过结合生物样本分析、先进制造技术（如纳米加工与3D打印）以及机器学习方法，仿生材料的粘附性能有望进一步突破，从而在医疗、工业及环境修复领域实现更加广泛的应用。