受蜜蜂启发！王钻开教授再发Nature Nanotechnology，他的经历堪称传奇！

受蜜蜂梳启发的刚度梯度放大弹射器，用于固体颗粒排斥!

他，三次读博被开，最大心愿是拿到博士学位。

他，绝处逢生，“一滴水改变了命运”，最终顺利博士毕业。

他，“科学探索奖”首届港澳获奖人，研究成果被《Nature Physics》评为过去15年15篇代表论文之一。

他，经过二十余年的学术生涯， “将冷门专业变成热门”。

他就是我国顶尖科学家王钻开教授。

今日，香港理工大学机械工程系王钻开教授与中山大学航空航天学院吴嘉宁副教授报告了蜜蜂蜂巢上以前未曾探索过的固体排斥性：在梳理脏触角以进行自我清洁后，会产生类似弹射器的效果，立即喷射花粉。纳米压痕测试显示，38微米长的梳子具有跨越近两个数量级的刚度梯度：从尖端的约25 MPa到底部的约645 MPa。这显着增强了弹性能量存储并加速了随后转化为动能。能量存储和转换方面的强化使颗粒原本较弱的惯性超过了其粘附力，从而抑制了不利的结垢效应，并实现了传统均匀设计中不可能实现的固体排斥性。他们利用这一点构建了弹性仿生刚度梯度弹射器，并展示了其通用性和实用性。该研究结果推进了对自然弹射现象的基本理解，并有可能开发仿生刚度梯度材料、基于弹射器的执行器和机器人清洁器。相关研究成果以题为“Honeybee comb-inspired stiffness gradient-amplified catapult for solid particle repellency”发表在最新一期《Nature Nanotechnology》上。

【固体排斥现象】

蜜蜂每天在花间觅食，采集花蜜和花粉作为食物（图1a）。为了维持触角的功能，蜜蜂在前肢上使用一种特殊的触角清洁器来清理被污染的触角（图1a）。触角清洁器由一个负责梳理的梳子和一个用于锁定的刺组成（图1b）。梳子的形状像一个半圆，直径dC≈177μm，由密集排列的绒毛组成，每根绒毛都可以模拟为一个圆柱体，长度l0≈38μm，直径d0≈6μm（图1c）。为了描述如何防止蜜蜂蜂巢污染，作者使用高速摄像将触角梳理过程数字化（图1d、e），并观察到了固体排斥现象（许多粒子被梳子排斥）。对梳子表面的定量分析表明，粘附颗粒数量仅占总数的~1%，其中~99%被排斥（图1f，g）。被排斥粒子的平均速度约为0.49 ms−1，比重力产生的速度（0.06 ms−1）大约大一个数量级（图1h）。因此，作者得出结论，固体排斥现象源于弹射机制而不是重力。

图 1. 蜂巢上的固体排斥现象

视频1.蜜蜂的触角梳理行为

视频2.蜜蜂触角梳的固体排斥现象

【弹射机理】

固体排斥性的弹射机制不同于表面能驱动的液体排斥性。如图2a所示，接触后，最初粘附在表面上的两个液滴合并，将其表面能转化为动能，从而产生与粘附力具有相同比例定律的力F，最终推动聚结的液滴以图a描述的速度v跳跃。然而，两个接触的固体颗粒无法合并，并且没有表面能释放以实现排斥性（图2a）。作者假设昆虫的梳子利用弹性能作为表面能的替代品，将颗粒弹射到空气中（类似于植物和真菌中已知的机制）。因此，粘附的颗粒会经历与梳毛同步的加速和减速阶段，直到它从梳子上弹射出来（图2b）。结果，粘附的颗粒受到恒定的粘附力Fa和惯性力F，惯性力F的大小和方向随着加速度的变化而暂时变化（图2b）。F与Fa之间的动态竞争直接决定了弹射驱动固体排斥性的发生。当F−Fa≥0时，粒子可以弹射；否则，颗粒仍会粘附（图2b）。满足F−Fa≥0要求F指向与Fa相反的方向，并且其大小大于Fa，这意味着弹射器驱动的固体排斥仅发生在减速阶段（图2b）。为了确定弹射器驱动的固体排斥性开始的关键加速度要求，作者对不同尺寸的颗粒进行力分析，证明：粘合力与毫秒时间尺度上的接触持续时间无关。对于不同大小的颗粒，两种力的详细竞争关系如图2c，d所示。

图 2. 弹射驱动固体排斥性的关键要求

【刚度梯度放大弹射效应】

接下来作者探讨蜜蜂的蜂巢如何应对不利的结垢效应。首先，该材料存在显着的空间差异（图3a）。作者通过AFM纳米压痕测试测量了新鲜梳毛的杨氏模量。杨氏模量呈现指数增长，从尖端的约25 MPa到底部的约645 MPa，在38 μm长的梳毛中跨越了近两个数量级（图3b）。作者进一步通过采用分析模型来确定独特的刚度梯度在弹射器驱动的固体排斥性中的作用（图3c）。刚度梯度的存在对于实现增强的弹射器性能以抑制固体排斥性的不利缩放效应起着至关重要的作用。在相同的变形条件下，与均匀的对应物相比，刚度梯度使蜜蜂梳毛的弹性能量存储增加了约8倍（图3d），为转化为动能提供了足够的能量，刚度梯度还通过将能量转换持续时间缩短约90%来加速能量转换过程（图3d）。固体的排斥性能对蜜蜂梳毛上粘附颗粒的位置也很敏感（图3e）。通过构建相图，揭示了刚度梯度和空间位置对固体排斥性开始的影响（图3f）。

图 3. 刚度梯度放大弹射器效应

【通用性及应用】

为了证明用于固体排斥的刚度梯度放大弹射器的通用性，作者设计了一种模仿其生物对应物的放大的刚度梯度弹射器（SGC）。作者利用自发扩散过程优先重新排列水、交联剂和单体等化学成分的梯度分布来制造人工SGC（图4a）。SGC可以进一步安装到电机驱动的固定装置上，用作自清洁清洁机器人，用于维护太阳能电池板等室外基础设施（图4b）。基于 SGC 的机器人产生的最大气流为 2 × 103 m s-2 ，对 25 μm 二氧化硅颗粒的排斥率约为 91%，分别是对照样品的 10 倍和 8 倍（图 4c）。由于优异的固体排斥能力，基于SGC的机器人在12次污染测试下仍保持较高的清洁效率，使太阳能电池板系统能够维持与未污染状态相当的更高的电力输出（图4d）。

图 4. 刚度梯度放大弹射机构在固体排斥方面的应用

视频3.应用展示

【小结】

本文报告了蜜蜂用来清洁触角的蜂巢中的固体排斥现象。纳米压痕测试表明，梳子的刚度梯度跨越近两个数量级，从尖端的约25 MPa到底部的约645 MPa。这种刚度梯度放大了弹射效应，使梳子能够产生放大的惯性输出，克服了最初占主导地位的粘附力，从而击退粘附的花粉和灰尘。作者还开发了一种弹性仿生刚度梯度弹射器，并展示了其在实际应用中的潜力。

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来源：高分子科学前沿

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