自然界中，為適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的行為需求，生物表面具備許多獨(dú)特的微納結(jié)構(gòu)功能性陣列，為仿生功能材料的設(shè)計(jì)與制造提供了豐富靈感。近期，仿生界面及未來(lái)制造實(shí)驗(yàn)室研究人員以七星瓢蟲（Coccinella septempunctata）為研究對(duì)象，揭示其在斜坡滾轉(zhuǎn)過(guò)程中依靠足部盤狀剛毛與粘性分泌物協(xié)同實(shí)現(xiàn)剝離制動(dòng)的力學(xué)機(jī)制，有望為開發(fā)新型的MEMS制動(dòng)系統(tǒng)提供思路。

研究成果以“Braking Mechanism of Ladybird Foot Setae during Slope Rolling"為題發(fā)表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。中山大學(xué)碩士研究生江毅玲和本科生唐泊寧為共同第一作者，中山大學(xué)吳嘉寧副教授為通訊作者。

七星瓢蟲是一種具有圓穹狀鞘翅的鞘翅目昆蟲，其在斜坡滾轉(zhuǎn)過(guò)程中表現(xiàn)出獨(dú)特的制動(dòng)能力。研究人員針對(duì)瓢蟲足部剛毛的結(jié)構(gòu)特性及其在斜坡滾轉(zhuǎn)制動(dòng)過(guò)程中所展現(xiàn)的力學(xué)行為、運(yùn)動(dòng)學(xué)特性展開研究，發(fā)現(xiàn)瓢蟲足部末端分布有大量結(jié)構(gòu)獨(dú)特的盤狀剛毛，其表面覆蓋有粘性分泌物。

在滾轉(zhuǎn)過(guò)程中，具有完整足部的活體瓢蟲能夠通過(guò)功能性足部剛毛與斜面間反復(fù)發(fā)生“接觸-剝離"作用，從而在極短時(shí)間內(nèi)有效降低角速度，快速耗散動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的剝離制動(dòng)效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，每次剝離可使角速度降低約22.57?rad/s，活體有足瓢蟲在平均3次翻滾后即可停止，制動(dòng)成功率達(dá)77.5%。

此外，本文構(gòu)建了剛毛剝離制動(dòng)力學(xué)模型，系統(tǒng)解析瓢蟲制動(dòng)策略及能量耗散機(jī)制。經(jīng)過(guò)對(duì)比得到，理論模型預(yù)測(cè)的剝離前后能量耗散與實(shí)驗(yàn)計(jì)算所得具有相同數(shù)量級(jí)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性與可行性，為仿生設(shè)計(jì)提供了理論支持。

進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)提出一種仿瓢蟲足部剛毛的微型制動(dòng)裝置，設(shè)計(jì)并采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch® S130，精度：2μm）制備了一種融合盤狀剛毛仿生微結(jié)構(gòu)與模擬分泌物層的微型制動(dòng)裝置。通過(guò)滾轉(zhuǎn)制動(dòng)性能測(cè)試，結(jié)果表明該仿生裝置展現(xiàn)出優(yōu)異的制動(dòng)響應(yīng)能力與能量耗散效率，具有良好的制動(dòng)性能。