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  軟物質(zhì)濕滑材料在受力剪切條件下通常會發(fā)生嚴(yán)重的彈性變形，這不僅對滑動(dòng)界面實(shí)現(xiàn)低摩擦狀態(tài)不利，而且會引起材料力學(xué)疲勞甚至結(jié)構(gòu)破壞，加速磨損的產(chǎn)生。在確保界面高度水化的條件下，如何抵制軟物質(zhì)材料的彈性變形，實(shí)現(xiàn)潤滑、承載和抗磨的統(tǒng)一，對于認(rèn)識界面接觸力學(xué)與潤滑行為的科學(xué)關(guān)系以及開發(fā)仿生智能軟體機(jī)器人具有重要意義。

  自然界中，很多生物體的軟組織或器官進(jìn)化出了具有力學(xué)模量動(dòng)態(tài)可調(diào)控特征的先進(jìn)機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)界面接觸狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變，以滿足運(yùn)動(dòng)過程中對不同界面摩擦/潤滑量級的需求。以鯰魚為例，其表面通常展現(xiàn)出濕滑的特性（親水的天然大分子層），在我們意識里面應(yīng)該很難抓住它。事實(shí)上，在鯰魚處于平靜狀態(tài)時(shí)，我們?nèi)匀荒軌蚝苋菀椎赜檬肿プ∷�。然而，一旦鯰魚發(fā)生掙扎，其將很容易從我們手中掙脫掉；此時(shí)，我們會感觸到魚皮表面進(jìn)入了一種硬化和超滑的狀態(tài)；這主要是因?yàn)轹T魚受到外界刺激時(shí)，肌肉系統(tǒng)應(yīng)激發(fā)生了快速硬化，導(dǎo)致手掌和魚皮表面接觸點(diǎn)大幅度減小，摩擦力顯著降低。

  最近，受鯰魚肌肉硬化觸發(fā)的潤滑轉(zhuǎn)變行為啟發(fā)，中科院蘭州化學(xué)物理研究所周峰/麻拴紅團(tuán)隊(duì)，報(bào)告了一種新型的模量自適應(yīng)潤滑水凝膠材料，該材料由幾十微米厚度的表面聚電解質(zhì)親水潤滑層（模擬鯰魚濕滑的表皮）和具有熱觸發(fā)相變特征的底部水凝膠承載層（模擬鯰魚的肌肉單元）組成。科研人員通過球-盤往復(fù)滑動(dòng)摩擦測試方式驗(yàn)證了制備材料的智能潤滑調(diào)控行為。低溫條件下，材料處于軟質(zhì)凝膠態(tài)（模量：~0.3 MPa），盡管潤滑層處于高度水化狀態(tài)，滑動(dòng)剪切仍然會引起材料的嚴(yán)重彈性畸變，此時(shí)摩擦對偶與材料表面接觸充分，使得界面摩擦系數(shù)較大（μ~0.37）。進(jìn)一步，在維持材料表層水化狀態(tài)不變的條件下，對材料進(jìn)行加熱，發(fā)現(xiàn)承載層凝膠快速發(fā)生相分離進(jìn)而瞬間變硬（模量：~120 MPa），大幅度抑制了滑動(dòng)剪切過程中材料的變形，此時(shí)摩擦對偶與材料表面接觸點(diǎn)減小，摩擦系數(shù)顯著降低（μ~0.027）。

圖1. 軟質(zhì)凝膠態(tài)（左）和硬質(zhì)玻璃態(tài)（右）下界面接觸力學(xué)行為

  通過對滑動(dòng)界面原位加熱和冷卻，可以實(shí)現(xiàn)摩擦系數(shù)的動(dòng)態(tài)可逆調(diào)控，且這種可切換的潤滑行為在寬載荷范圍內(nèi)始終是有效的；特別是，研究人員發(fā)現(xiàn)隨著法向載荷的增大，這種典型的潤滑調(diào)控行為更加的明顯，界面最大接觸應(yīng)力甚至可達(dá)~7 MPa。理論模擬結(jié)果表明這種顯著的潤滑轉(zhuǎn)變行為主要?dú)w因于以模量動(dòng)態(tài)演變?yōu)橹鞯淖赃m應(yīng)接觸機(jī)制，可通過結(jié)合接觸態(tài)演化、非變形耗散和分子鏈機(jī)械俘獲3大機(jī)制得到很好解釋。作為這種智能材料的概念驗(yàn)證，研究人員開發(fā)了智能型水凝膠子彈進(jìn)行固體穿刺測試，沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明相變硬化的水凝膠子彈（同軟態(tài)凝膠子彈對比）其穿透力更強(qiáng)，這得益于低摩擦狀態(tài)下界面較小的運(yùn)動(dòng)阻力。最終，研究人員通過結(jié)合界面濕黏附化學(xué)發(fā)展了一種智能潤滑貼片，并通過程序化機(jī)械手臂精確測量了這種智能貼片表面摩擦狀態(tài)的轉(zhuǎn)變信號；成功將該貼片組裝于運(yùn)動(dòng)模型裝備（如坦克履帶、潛水艇）表面，實(shí)現(xiàn)了基于界面潤滑轉(zhuǎn)變行為的運(yùn)動(dòng)行為智能控制。

圖2. MALH智能潤滑材料的仿生學(xué)設(shè)計(jì)過程

圖3. MALH智能潤滑材料的制備過程和界面潤滑調(diào)控機(jī)制

圖4. MALH智能潤滑材料力學(xué)的熱致調(diào)控

圖5. MALH智能潤滑材料的響應(yīng)性潤滑調(diào)控行為

圖6. MALH智能子彈的穿刺行為

圖7. MASLD智能潤滑貼片的制備及其在可移動(dòng)裝備上的應(yīng)用

  相關(guān)論文以題為“Modulus adaptive lubricating prototype inspired by instant muscle hardening mechanism of catfish skin”發(fā)表在《Nature Communications》上。論文第一作者是中國科學(xué)院大學(xué)張?jiān)评?/strong>博士生， 通訊作者是中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所麻拴紅副研究員和周峰研究員。該研究成果對于認(rèn)識界面接觸力學(xué)與潤滑行為之間的相關(guān)關(guān)系具有重要科學(xué)意義，相關(guān)材料在智能運(yùn)動(dòng)設(shè)備和軟機(jī)器人領(lǐng)域展現(xiàn)出了重要潛在應(yīng)用。