著名白癜风研究专家 https://m.yiyuan.99.com.cn/bjzkbdfyy/yyzj/260589.html屎壳郎、象鼻虫、蝼蛄、壁虎、猪笼草，这些让人一瞅就觉得恶心的东西，一般人见了都想赶紧躲开。但到了研究人员那里，却都跟宝贝似的！
这便是仿生学的迷人之处！
大家都知道，机械工业在咱们国家的装备制造业里地位可重要啦。但是呢，机械工业发展得快，也弄出了像环境污染、能源浪费这类的问题。机械零件损坏，一个重要的原因就是机械摩擦导致的磨损，其中摩擦阻力太大、润滑条件不好是关键。
要让机械零部件磨损少点，办法有两个。一个是把摩擦条件弄好点，让摩擦副之间的摩擦变小；另一个是在摩擦副表面弄上仿生织构，模仿生物体表面的微纳织构，这样就能降低摩擦磨损啦。
仿生摩擦学包含材料仿生和织构仿生这两部分，其中织构仿生是近些年来新出现的一个学科，给摩擦学的深入探究打下了科学基础。
当下，关于仿生织构的研究越发广泛，织构的类型特别多，要论减阻耐磨的效果，比较好的得是凹坑型和沟槽型。为让活塞环能用得更久，孙艺文等人在摩擦副表面弄出了凹坑形织构。
把沟槽织构的所有参数都给优化了；加工出了带有梯度六面体结构的织构，通过实验结果的分析能知道，这种结构能让材料更耐磨。不仅这样，构型的加工办法也越来越成熟了，韩鑫他们用热压印法，直接复制出了鲨鱼皮减阻表面形态的样品。
黄志平运用图像复刻法处理了鲨鱼表面的沟槽纹理；韩鑫等人借助电铸技术加工了沟槽织构；BixlerGD通过软刻技术做出了仿生鲨鱼的仿体，还对仿体的减阻率、表面平滑性之类的进行了测试。
加工出仿生纹理以后，得测试它的摩擦特性。韩志武等人用正交实验的办法，对比了圆形凹坑、圆形凸包还有矩形沟槽的耐磨性，还探究了磨损机理；在PDMS工件表面加工出仿生的六角、方形凸起，然后做了粘着力试验；缪晨炜等人仿照蚯蚓体表的多尺度沟槽弄出矩形沟槽，也研究了它的摩擦磨损特性。
研究表明，好多有机体的表面都有微/纳米级的非光滑结构，从它们的外观模样来看，大概能分成下面这几种：
存在凹坑、凸包、刚毛、沟槽之类的，像以凹坑为典型的生物包括：蜣螂、金龟子、象鼻虫、星吉丁虫等等；凸包形态的代表生物有蜣螂的头部、荷叶；刚毛形态的代表生物有蝼蛄的体表、壁虎的脚掌；沟槽形态的代表生物有树蛙、鲨鱼、蚯蚓的头部、猪笼草的口缘等。
下面来对上面提到的这四种基本类型展开讨论。
凹陷的坑状构造
星吉丁虫属于典型的昆虫，为能在生存环境里好好存活，它的体表生成了一种能减少阻力、抵抗磨损的非光滑凹坑构造。
它的作用机制是这样的：要是摩擦副之间的工作压力比较高，因为摩擦副表面贴得紧，润滑液就会暂时存到小凹坑里。当摩擦副相对活动的时候，接触力有了变化，就能把小凹坑里的润滑液给挤出来，达到二次润滑的效果，让磨损降低。
2.带有沟槽形状的构造
在仿生织构的研究里头，蚯蚓的头部常见的是矩形沟槽织构。蚯蚓常年在土里爬，它的头部面对泥土或者沙石有很强的磨损冲击，可就是不会受伤。这主要是由于其头部特殊的沟槽织构能发挥减阻耐磨的功效，另外，蚯蚓还能分泌粘液来达到润滑的作用。
鲨鱼属于典型的海洋生物，它身上的鳞片有显著的凹槽。由于它一直都在海洋里游动，庞大的身体得克服水流阻力跟重力，于是它身体表面那种独特的鳞片构造以及特别的排列形式，能有很棒的减阻和耐磨作用。
菲律宾独有的肉食性植物猪笼草（Copulahybrida）是近些年来搞仿生学研究时发现的一种特别的植物，它“嘴唇”边上有好多层沟脊，沟脊里还有单向楔形的夹角，能弄出负压，把液体“锁住”。
实现了水的持续、多环节输送，粘性低。沟槽型织构的原理，一是沟槽连通性强，方便润滑液流动，增强了润滑作用；二是微小沟槽有利于形成收敛楔和发散楔，润滑液体流过的地方会产生正负压差，形成静压润滑效果，进而提升润滑油膜的稳定性和承压水平。
3.呈现凸包形状的纹理
荷叶这种生物体有着凸起的结构，表面那些不规则的微米级凸起让它有了超疏水的特点，所以才有“出淤泥而不染”的说法。树蛙脚掌上那不规则的六角形纹理，能帮它们在滑溜溜的叶子上行走跟跳跃。
它的作用机制在于，荷叶表面的微凸结构就好像是紧密排列的球形微凸结构，水滴在这种微凸结构的表面没法跟基材接触，直接滑落了，呈现出超疏水的特点，能够达成自清洁的效果。
六角形那些不规则的凸起，相邻两个单元之间有细微的缝隙，这对水滴渗透不利。不过单个的六边形织构单元面积很大，要是在摩擦副表面进行加工，能大幅增加摩擦副之间的接触面积，而且表面粗糙度也会让粘附力大幅提高。
4.刚毛的构造
壁虎脚掌的微刚毛织构能让它爬行时的接触面积大增，进而增强附着力；蝼蛄体表的刚毛也是这样，那密密麻麻的刚毛微结构不光把接触面积加大了，还让表面更粗糙了，同时也把表面的黏附性和附着力大幅提升了。
1.纹路设计
仿生织构慢慢变得成熟起来，研究者们弄出了好多织构形状，还做了研究。可加工起来很难，大多还具有很强的粘附性，对提升摩擦性能没啥大作用，于是就只琢磨凹坑形、沟槽形织构的几何参数，像尺寸、深度、间距、面积占有率这些。
从大量文献的总结能知道，凹坑织构的直径通常是10到15微米，深度是3到5微米，间距大概在20微米，间距太大或者太小都没法很好发挥织构化的优点。六角凸起的直径在50至微米，单个六角凸起的纹理比凹坑大一点，一般深度是5微米，间距在至微米。
沟槽纹理的宽度在50到80微米之间，间距处于到微米之间，深度是3到5微米。按照织构的形状还有排布的差别，算出了面积占有率的通常公式，这里面n代表织构的数量。
gamma等于nSS乘以磨损面积再乘以%
2.解决办法
加工表面纹理的办法不少，像激光加工、微切削、微细磨粒射流加工、电子束光刻-复膜加工、电火花加工之类的，每种办法都有自身的特性。就拿激光加工来说，虽说精度更高，也更环保，还不会出现“刀具”磨损的情况，可设备价格较高，主要是用来加工微小的凹坑和沟槽纹理。
电火花加工能搞定一般加工办法弄不了的特殊材料的像凸包形这类织构。沟槽状织构包含长方形、圆柱形、V形之类的；凸包纹理有六边形凸包、圆形凸包等等，各种各样，这里就不挨个说了。
本部分针对四种减阻耐磨表现最优的织构类型做结构设计，像圆形凹坑、三角形凹坑、六边形凸起、矩形沟槽图还有形状复杂的工件，这都不受材料硬度以及热处理状况的左右。电子束光刻法指的是通过电子束来扫描的一种办法。
扫描的方式主要就两类，一是光栅法，二是矢量法，不过加工效率不高；微细切削说的是在确保材料强度和刚度的前提下，加工尺寸不大的工件时，切削的量比较少；这个项目打算用飞秒激光加工的办法，给硬脆性材料、复合材料之类的做微细加工，依照加工精度的需求，挑合适的加工方式。
1.实验用到的装置和制定的方案
试验在MMG-10摩擦磨损试验机上开展，上磨件用的是淬火45钢，下磨件是织构化的YT15硬质合金。参照试验机的尺寸，把试样的内径定为10毫米，外径定为14.6毫米。
基于这个，着重探究圆形凹坑、三角形凹坑、六边形凸起、矩形凹坑这四种织构在不一样的负载、转速、占空比等工作状况下摩擦系数的差别，用点线图来归整实验数据，再依据实验结果展开分析讨论，找出减阻耐磨效果最好的仿生织构。
在干摩擦的时候，摩擦副之间长时间地进行摩擦操作，根本没有润滑油来润滑。
要是不给工件做特殊的织构处理或者存放不当，工件表面就会有“犁沟”那样的划痕，厉害的时候还会让工件没法用。
这时候，要是表面弄了仿生织构，就能把磨屑收集和存起来，而且能让两个摩擦副直接接触的面积变小，防止出现犁沟，这样就能减少磨损；在边界润滑的情况下，摩擦的时候肯定会有润滑液不够的情况，这就是边界润滑状态。
在摩擦的时候，两个摩擦副会产生挤压力，把油液从织构里挤出去，实现“二次润滑”；在流体润滑的状况下，摩擦副之间有充足的润滑液，能形成一层润滑膜，两个摩擦副不是直接碰上的，是靠这层润滑膜来传递动力和能量，所以摩擦系数挺低，磨损量也比较少。
当润滑液经过微凹坑或者微沟槽织构的时候，从液体流进去的口到流出来的口是发散的，而且有纵向的高度差别，液体在流动当中会出现负压，还能产生空泡，进出口两头的正负压让液体在流过织构时会出现动压润滑的作用。
沟槽减阻的理论主要有这么三种：流强理论、粘性理论、空洞理论。这里面，流强理论说的是在油润滑的情况下，通过摩擦副间的工作能在表面形成不一样的流体压力，出现流体动压的效果。粘滞理论觉得，在运转的时候，因为温度上升，润滑剂的粘度会变大，这样就能把生成的磨粒从摩擦副表面带走，进而避免或者减轻磨损。
空穴理论说的是，如果液体里的局部压强比饱和蒸汽压低，液体里就会出现气体，然后形成空穴。矩形沟槽织构表面能减阻又耐磨，其中的机理是：在摩擦的时候，条形的沟槽能存润滑液，两个磨件之间产生的摩擦力会让沟槽织构里的润滑液直线收拢，这样能方便及时润滑。
润滑液不光能润滑，还能冷却呢，而且因为形成了微沟槽，实际接触面积变小了，磨屑不会太多，剪切应力也降低了，这样一来，能量消耗少了，摩擦阻力也小了。
凸起织构的运行原理是这样的，水滴碰到工件表面的时候，因为它特殊的粗糙表面构造，在水滴跟工件表面接触的时候，织构当中会出现一层空气隔膜，使得水滴不能直接和基材接触，所以就有了超疏水效应。
润滑液和冷却液能充当隔膜，降低摩擦副之间的磨损，而且还能保护织构本身，防止基体材料快速腐蚀，确保使用期限。
沟脊状织构能让水逆向流动，这其中一个原因是猪笼草表面竖着排列着蜡质晶体，这些晶体让猪笼草表面跟外界是点接触，接触面积变小，粘附力大大降低。另外，猪笼草的口缘有单向盲孔结构，能靠负压来单向锁水，不过接触面积越小，作用势能就越小，所以抗粘附的能力也就越强。
当下，仿生织构于摩擦学领域的研究有了很大的进展，由此能得出这样的结论。
在几种基本的仿生织构里，减阻耐磨效果比较好的是沟槽形，凹坑形稍微差一点，而且这两种用得也比较广泛。
针对三角凹坑、圆形凹坑、六边形凸起、矩形沟槽展开参数设计，从而获取面积占有率
使用公式：γ等于n乘以SSinglearea再除以SWeararea，然后乘以%。
做了仿生织构的摩擦磨损实验，得出的结果是：不管挑哪种织构，占比量10%都是最好的。
就凹坑结构来说，载荷小点，一般是牛顿，转速大点，通常是转/分钟。
就沟槽织构来说，负载得适当加大些，大概到牛顿，旋转速度差不多转/分。至于凸包织构，载荷要比牛顿稍大，旋转速度得看具体情况。
不一样的织构有着不一样的作用机制，要是跟不错的基材相结合，就能有效地让减阻耐磨性能得到提高。
摩擦力和耐磨性都特别高。本文只是大概讲了几种常见的仿生织构形式，有一些缺陷，还得做进一步深入的探究。
试着把凹坑织构跟沟槽织构相结合，或者把任意的两种或者三种织构相组合，弄出复合型织构，不但有着不错的摩擦性能，还能提升流体动压润滑的效果，让仿生织构的作用达到最大。基于此，又进一步加深了对于凹坑、沟槽织构结构设计的了解。
通过实验来确定复合织构的最优形态；加强对复合织构机理的探究，再结合好用的加工办法，更深入地探寻仿生织构；基于这个，进一步把仿生织构在航空航天等方面的应用范围扩大，让它在减阻、耐磨、防粘、疏水这些方面的效果达到最好。
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［1］张永辉：关于利用表面织构来改善超高分子量聚乙烯润滑特性的相关研究
［2］BHUSHANB.《摩擦学导论》
［3］马付良、曾志翔、高义民等人，关于仿生表面减阻的研究现状以及进展
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