可排斥異物的生物表面在自然界中無處不在且至關重要。盡管表面能驅動的液體排斥常見于許多生物體中，但從表面排斥微小固體顆粒的現象卻很罕見。
1.固體表面能不可釋放：液滴可通過接觸合并來釋放表面能驅動自發彈跳脫離表面，然而固體顆粒接觸后不會合并以釋放表面能來克服粘附作用。
2.尺度效應：粘附力正比于顆粒尺寸的一次方，而慣性力正比于顆粒尺寸的三次方。因此在微觀尺度下，相比于慣性作用，粘附作用占主導地位。
盡管電動屏蔽技術（electrodynamic screen technology）可以產生靜電力來排斥表面顆粒，但它通常需要高電壓并消耗大量能量，這阻礙了實用性，亟需替代策略。
近日，香港理工大學王鉆開、中山大學吳嘉寧等人報道了在蜜蜂梳子上發現的獨特固體排斥現象：蜂梳在清理受顆粒污染的觸角后立即彈出這些顆粒以進行自清潔。納米壓痕測試發現，僅38微米長的蜂梳卻具有跨越近2個數量級的剛度梯度。理論模型揭示，相比于傳統均勻設計，這一剛度梯度顯著增加了彈性能量的儲存并加速了隨后轉化為動能的過程，放大了慣性輸出以克服粘附，從而實現固體排斥。利用這一生物機制，研究人員構建了一種仿生剛度梯度彈射機器人，并將其與太陽能板集成為自清潔系統，證明了其普適性和實用性。這一發現推進了對自然表面排斥及彈射現象的基礎理解，具有開發仿生剛度梯度材料、基于彈射效應的軟體致動器和新型仿生清潔器的應用潛力。該工作以“Honeybee comb-inspired stiffness gradient-amplified catapult for solid particle repellency”為題發表在《Nature Nanotechnology》上。文章第一作者為香港城市大學博士生張威、中山大學碩士生姜偉以及浙江大學張超研究員。通訊作者為香港理工大學王鉆開教授和中山大學吳嘉寧副教授。共同作者為香港城市大學博士生秦學志、香港理工大學鄭煥璽博士、香港理工大學徐王淮助理教授、香港理工大學崔苗苗博士、香港城市大學王彬助理教授。蜜蜂頻繁穿梭于花間，采集花蜜和花粉作為食物。與此同時，它們身上，尤其是用于探測食物的觸角，會不可避免地被花粉、灰塵等固體顆粒污染。為了維持觸角的感知功能，蜜蜂前腿上有一個梳狀結構專門用于觸角清潔。直觀地，梳子在清潔觸角過程中容易被顆粒污染，因此需要對梳子進行額外清潔。然而，研究人員發現蜜蜂很少清潔梳子，發生率僅有25%，遠低于其他昆蟲。通過用高速攝像技術記錄觸角清潔過程，研究人員發現在蜂梳離開觸角6 ms之后，許多顆粒飛離梳子表面，平均速度為0.49 m/s，比因重力作用產生的速度高一個數量級。因此研究人員猜測這一固體排斥現象由彈射機制驅動。
研究人員假設這一彈射機制源自蜂梳因與觸角尺寸不匹配而產生變形所儲存的彈性能。一旦脫離觸角，變形的梳毛立即恢復到初始狀態，將儲存的彈性能轉化為動能。在此期間，粘附顆粒與梳毛同步運動，先后經歷加速和減速階段，直到它被彈射出去。因此，粘附顆粒受到恒定的粘附力和隨加速度變化的慣性力作用。這兩個力的動態競爭直接決定了彈射驅動固體排斥現象能否發生。根據力學平衡，發現彈射顆粒所需的臨界加速度正比于顆粒尺寸的負二次方，即臨界加速度會隨著顆粒變小而激增，體現了于固體排斥不利的尺度效應。
研究人員進一步探究了蜂梳對這一不利尺度效應的應對策略。通過激光共聚焦掃描顯微鏡，發現蜂梳的材料成分存在顯著的空間差異。梳毛的尖端以彈性蛋白為主，而基部則以高度硬化材料為主，其間逐漸過渡，這表明從軟尖到硬基存在剛度梯度。通過納米壓痕測試進行量化，發現梳毛的楊氏模量從尖端到基部呈指數增長，在 38 微米長的梳毛中跨越了近兩個數量級。理論模型顯示，剛度梯度可以增大彈性能儲存，并加速能量轉化過程，從而放大慣性輸出，提高蜂梳的彈射性能以觸發固體排斥。
為了證明這一生物機制的通用性，研究人員設計并制造了一種仿生剛度梯度彈射器（SGC）。這一仿生彈射器的楊氏模量跨越兩個數量級，從尖端的2 MPa逐漸增至基部的150 MPa。將仿生彈射器安裝至電機驅動的移動平臺，并與太陽能板集成為自清潔系統，在連續12回合的污染測試下太陽能板仍能維持與未受污染狀態相近的高電力輸出，驗證了該仿生彈射器在構建室外自清潔系統的潛力與實用性。
小結
綜上，研究人員證明，蜂梳表現為一個微型彈射器，利用剛度梯度放大的彈射機制來排斥粘附在表面的固體顆粒。基于這一固體排斥機制研發的仿生清潔器可用于太陽能板等戶外基礎設施的自動維護，極大節省人力成本。這一工作也可為生物材料、功率調制以及能量轉換等領域提供仿生靈感。首先，這一軟尖到硬基的剛度梯度也見于昆蟲腿的粘附結構，可以提高粘附作用。蜂梳既需要將花粉從觸角上去除又需要排斥附著的花粉，因此在用材料梯度來增強粘附性和增強排斥性之間存在權衡，值得進一步研究。其次，盡管可調節功率輸出的彈射機制已在生物體中廣泛體現，但進一步提高功率輸出通常需要使用多個彈射器，此工作提出的剛度梯度放大的彈射機制提供了一種不需要增加額外組件的替代方案。最后，這一通過剛度梯度彈射器將彈性能轉化為動能的生物學見解也加深了我們對自然界中高效能量轉換的理解，并為開發仿生異質材料和功率放大系統提供了設計思路。
Zhang, W., Jiang, W., Zhang, C.et al. Honeybee comb-inspired stiffness gradient-amplified catapult for solid particle repellency. Nat. Nanotechnol. (2023). https://doi.org/10.1038/s41565-023-01524-x
