固体润滑国家重点实验室（LSL）知识库

本论文综述了仿生摩擦学以及生物摩擦学领域中的研究进展。 选取典型的生物摩擦学研究对象，研究了其特殊的摩擦学性能，揭示了其界面化学和微结构的机理，在此基础上，构筑了仿生摩擦学界面材料，主要研究内容和结论如下：

(1) 口腔味道摩擦学研究-界面化学作用对摩擦的影响。当咖啡、茶中的多酚类物质与口腔中的唾液蛋白相遇时，会通过疏水和氢键相互作用力与之产生缔合，导致唾液蛋白去水化，失去对口腔的润滑作用，引起舌头发涩感觉。本研究从界面摩擦学角度出发，选用天然提取的粘蛋白分子作为口腔唾液的模拟性润滑介质，单宁酸分子作为水果中聚多酚类物质的代表性介质，系统地考察了两种物质作用下，滑动界面摩擦信号的变化。以硅橡胶球作为滑动对偶，进行摩擦学测试，结果表明，由于粘蛋白的吸附在基底上形成有效的边界润滑膜，界面呈现出低摩擦力；原位注入单宁酸溶液，粘蛋白边界润滑膜被破坏，界面摩擦力快速升高；再次注入粘蛋白时，重新形成边界润滑膜，界面摩擦力又下降，即实现连续的润滑-去润滑。受此启发，制备了一种含有粘蛋白的高分子水凝胶，当其与单宁酸相互作用时，摩擦力升高，很好地模拟了口腔发涩过程。

(2) 自然界各向异性摩擦学研究-界面微结构对摩擦的影响。各向异性结构特征广泛存在于植物的茎、秆、叶以及动物的各个组织器官，这些特征在生物的生存、生长过程中发挥了不可替代的作用。本研究通过实地考察，发现很多植物茎、秆、叶上分布有刚性的倒刺状结构，选取几种具有代表性的植物体，系统地考察了它们的摩擦学特性。实验结果表明，这些植物体具有明显的摩擦各向异性，利用这种特性，植物体可在拉伸诱导下沿橡胶管内产生定向的移动。通过3D打印制备了具有相似结构特征以及摩擦学特性的各向异性结构体，并成功地将其用于货物的定向输运。由于打印结构体突出的摩擦各向异性以及优异的驱动性能，该打印结构体有望组装到新型的智能型机器人装备上，在事故搜救、外星表面组分探测等重要领域发挥作用。

(3) 仿生壁虎脚界面材料-界面化学与结构对摩擦的影响。壁虎依靠脚掌和接触壁面间的范德华相互作用力实现动态的粘附-去粘附，受此机制启发科学家制备了一系列功能性仿生壁虎脚材料。尽管这些合成材料在空气中能够显示出优异的粘附转变特性，然而在溶液中其粘附性能却降低。文献调研表明，溶液里中的仿生壁虎脚界面材料研究报道较少。本论文通过化学蚀刻法制备了高度有序的硅纳米线阵列，再采用表面引发自由基聚合技术(ATRP)在硅纳米线阵列表面接枝了响应性聚电解质刷，聚甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐(PSPMK)和聚甲基丙烯酸钠(PMAAs)获得了SiNWAs-PSPMK和SiNWAs-PMAAs三维有机/无机复合纳米线阵列。对SiNWAs-PSPMK 复合体系而言，基于PSPMK 聚电解质刷极易水化的特性，复合阵列表面可在水汽的刺激作用下，实现摩擦行为的原位快速可逆转变。对SiNWAs-PMAAs复合体系而言，基于PMAAs聚电解质刷的pH响应性，复合阵列表面可在酸、碱性介质中，实现摩擦行为的快速可逆转变。简言之，该工作首次制备了化学响应的仿生壁虎脚纳米线阵列，实现了湿度、盐度以及pH响应的界面摩擦力可逆调控。复合纳米线阵列材料有望用于湿度及 pH传感、界面货物可控输运以及微流控等领域。

(4) 仿生关节软骨界面材料-界面化学与结构的协同作用。采用软硬复合策略，将聚电解质水凝胶填充到阳极氧化铝多孔模板中，构筑了一种新型的有机无机复合微纳米界面材料。由于多孔模板的限域效应，水凝胶层与无机基底之间具有很好的界面结合力，而表层水凝胶纳米纤维在剪切滑动过程中起到了减摩的作用，硬质的阳极氧化铝基底起到了高承载的作用，其润滑机制类似于天然的关节软骨。经摩擦学测试发现，在弱碱性介质中，该复合材料能够在 MPa 级别接触压力下呈现出超低摩擦系数(<0.01)，上万次往复摩擦循环测试后， 摩擦系数保持不变。为开发新型可植入型关节润滑材料提供了一种新的设计理念。此外，由于表层纳米水凝胶优异的pH响应特性，该界面材料能够在MPa级别接触压力下实现摩擦系数的原位快速可逆的转变(超滑向高摩擦)，为设计智能仿生摩擦器件提供了新思路。