可排斥异物的生物表面在自然界中无处不在且至关重要。尽管表面能驱动的液体排斥常见于许多生物体中，但从表面排斥微小固体颗粒的现象却很罕见。
1.固体表面能不可释放：液滴可通过接触合并来释放表面能驱动自发弹跳脱离表面，然而固体颗粒接触后不会合并以释放表面能来克服粘附作用。
2.尺度效应：粘附力正比于颗粒尺寸的一次方，而惯性力正比于颗粒尺寸的三次方。因此在微观尺度下，相比于惯性作用，粘附作用占主导地位。
尽管电动屏蔽技术（electrodynamic screen technology）可以产生静电力来排斥表面颗粒，但它通常需要高电压并消耗大量能量，这阻碍了实用性，亟需替代策略。
近日，香港理工大学王钻开、中山大学吴嘉宁等人报道了在蜜蜂梳子上发现的独特固体排斥现象：蜂梳在清理受颗粒污染的触角后立即弹出这些颗粒以进行自清洁。纳米压痕测试发现，仅38微米长的蜂梳却具有跨越近2个数量级的刚度梯度。理论模型揭示，相比于传统均匀设计，这一刚度梯度显著增加了弹性能量的储存并加速了随后转化为动能的过程，放大了惯性输出以克服粘附，从而实现固体排斥。利用这一生物机制，研究人员构建了一种仿生刚度梯度弹射机器人，并将其与太阳能板集成为自清洁系统，证明了其普适性和实用性。这一发现推进了对自然表面排斥及弹射现象的基础理解，具有开发仿生刚度梯度材料、基于弹射效应的软体致动器和新型仿生清洁器的应用潜力。该工作以“Honeybee comb-inspired stiffness gradient-amplified catapult for solid particle repellency”为题发表在《Nature Nanotechnology》上。文章第一作者为香港城市大学博士生张威、中山大学硕士生姜伟以及浙江大学张超研究员。通讯作者为香港理工大学王钻开教授和中山大学吴嘉宁副教授。共同作者为香港城市大学博士生秦学志、香港理工大学郑焕玺博士、香港理工大学徐王淮助理教授、香港理工大学崔苗苗博士、香港城市大学王彬助理教授。蜜蜂频繁穿梭于花间，采集花蜜和花粉作为食物。与此同时，它们身上，尤其是用于探测食物的触角，会不可避免地被花粉、灰尘等固体颗粒污染。为了维持触角的感知功能，蜜蜂前腿上有一个梳状结构专门用于触角清洁。直观地，梳子在清洁触角过程中容易被颗粒污染，因此需要对梳子进行额外清洁。然而，研究人员发现蜜蜂很少清洁梳子，发生率仅有25%，远低于其他昆虫。通过用高速摄像技术记录触角清洁过程，研究人员发现在蜂梳离开触角6 ms之后，许多颗粒飞离梳子表面，平均速度为0.49 m/s，比因重力作用产生的速度高一个数量级。因此研究人员猜测这一固体排斥现象由弹射机制驱动。
研究人员假设这一弹射机制源自蜂梳因与触角尺寸不匹配而产生变形所储存的弹性能。一旦脱离触角，变形的梳毛立即恢复到初始状态，将储存的弹性能转化为动能。在此期间，粘附颗粒与梳毛同步运动，先后经历加速和减速阶段，直到它被弹射出去。因此，粘附颗粒受到恒定的粘附力和随加速度变化的惯性力作用。这两个力的动态竞争直接决定了弹射驱动固体排斥现象能否发生。根据力学平衡，发现弹射颗粒所需的临界加速度正比于颗粒尺寸的负二次方，即临界加速度会随着颗粒变小而激增，体现了于固体排斥不利的尺度效应。
研究人员进一步探究了蜂梳对这一不利尺度效应的应对策略。通过激光共聚焦扫描显微镜，发现蜂梳的材料成分存在显著的空间差异。梳毛的尖端以弹性蛋白为主，而基部则以高度硬化材料为主，其间逐渐过渡，这表明从软尖到硬基存在刚度梯度。通过纳米压痕测试进行量化，发现梳毛的杨氏模量从尖端到基部呈指数增长，在 38 微米长的梳毛中跨越了近两个数量级。理论模型显示，刚度梯度可以增大弹性能储存，并加速能量转化过程，从而放大惯性输出，提高蜂梳的弹射性能以触发固体排斥。
为了证明这一生物机制的通用性，研究人员设计并制造了一种仿生刚度梯度弹射器（SGC）。这一仿生弹射器的杨氏模量跨越两个数量级，从尖端的2 MPa逐渐增至基部的150 MPa。将仿生弹射器安装至电机驱动的移动平台，并与太阳能板集成为自清洁系统，在连续12回合的污染测试下太阳能板仍能维持与未受污染状态相近的高电力输出，验证了该仿生弹射器在构建室外自清洁系统的潜力与实用性。
小结
综上，研究人员证明，蜂梳表现为一个微型弹射器，利用刚度梯度放大的弹射机制来排斥粘附在表面的固体颗粒。基于这一固体排斥机制研发的仿生清洁器可用于太阳能板等户外基础设施的自动维护，极大节省人力成本。这一工作也可为生物材料、功率调制以及能量转换等领域提供仿生灵感。首先，这一软尖到硬基的刚度梯度也见于昆虫腿的粘附结构，可以提高粘附作用。蜂梳既需要将花粉从触角上去除又需要排斥附着的花粉，因此在用材料梯度来增强粘附性和增强排斥性之间存在权衡，值得进一步研究。其次，尽管可调节功率输出的弹射机制已在生物体中广泛体现，但进一步提高功率输出通常需要使用多个弹射器，此工作提出的刚度梯度放大的弹射机制提供了一种不需要增加额外组件的替代方案。最后，这一通过刚度梯度弹射器将弹性能转化为动能的生物学见解也加深了我们对自然界中高效能量转换的理解，并为开发仿生异质材料和功率放大系统提供了设计思路。
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
