Small Structures:受生物启发的机械互锁结构

机械互锁结构,即界面处独立物理对象之间的相互作用,在自然界中广泛存在。从昆虫和植物等生物的微观生物学结构,到人类的触觉感知系统,人们通过对互锁机制的研究,对上述结构在界面处的相互作用有了更深入的了解。近年来,我们见证了多样的采用仿生机械互锁结构所设计的功能性粘附设备。然而,机械互锁结构的功能性不仅止步于其显著增强的界面强度。早期通过对生物样品的显微观察致力于深入了解其结构特性。对这些互锁结构在每个生物系统中所起的作用的详细研究表明,不同的结构设计推动了界面功能的多样性。近年来,一些新的自然界中的互锁结构被发现,通过设计并制备这些受生物启发的仿生结构,机械互锁能够被进一步地被赋予可调节性,从而激活了更多的界面功能特性,并应用于促进现代医疗电子技术的发展。

近期,新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院陈晓东教授团队,对近年来基于受生物启发的机械互锁结构的功能特性研究进展进行了详细综述。根据特定应用领域的功能需求,将受到生物启发的互锁结构分为两个类别:静态及可调节互锁结构。着重论述了在生物界中所发现的各类机械互锁界面的微观结构、互锁机理及界面特性,详细阐述了各类仿生互锁结构的特殊性质所激活的功能多样性和应用实例。最后总结了仿生互锁结构的研究思路,并展望了其在现代医疗电子技术中的应用前景。相关成果发表在Wiley新期刊Small Structures上(DOI: 10.1002/sstr.202000045)。

图1给出了生物灵感和仿生机械互锁结构的代表性示例。静态互锁增强界面粘附力的灵感可来自多种生物,例如通过深入土壤的根部实现稳固站立的树木,寄生虫插入目标组织的钩子等。此外,传统建筑中紧密组装的榫卯互锁结构及珍珠层间的纳米孔隙及微桥结构也为其所在界面提供了出色的机械强度。除了上述的机械互锁结构在界面处提供静态增强的粘附力外,可调节的互锁结构突破了“锁”的静态粘附状态,实现了可重复可调节的界面黏附,如牛蒡种子在目标表面的结构可逆粘附性,及甲虫翅膀和蜻蜓脖子处的固定系统结构。此外,在人类指尖的触觉系统中,真皮-表皮界面的互锁脊结构可放大并有效地将触觉刺激传递至触觉感知系统。

随着对以上互锁结构中相互作用的了解,使得根据结构本身和派生特征来模仿制备具有静态或可调节的多样仿生互锁装置成为可能。具有定向功能的仿生互锁结构可应用于多种实际应用场景,如兼容性可拉伸电极阵列应用于器官-机器接口,稳定粘附的具有药物释放功能的皮肤贴布应用于医用治疗,可识别多种应力模式的柔性传感器应用于实时心跳监测,人工电子皮肤应用于健康监测等。最后他们进行了展望,为了将每个独特的仿生互锁结构带入多样化的应用场景,必须不断探索自然界中更多潜在的机械互锁的结构及其作用机制。并通过对材料和结构的设计与制备,开发具有定向功能的互锁结构,为其在集成医疗健康电子中的实际应用提供可能。