蜜蜂足垫湿粘附界面的力学行为及调控仿生研究

20251124

制造业

本项目的科技成果转化工作目前已奠定良好的实验室基础，整体技术成熟度处于实验室原型验证阶段。在技术上，我们已成功在实验室环境下揭示了蜜蜂足垫的固-液-气三相粘附机理与剪切敏感调控机制，并据此设计、制备出两类主要的仿生材料原型：具有层级多边形框架的仿生湿粘附表面（HTP）和具备汗液管理功能的仿生复合膜贴片（CMAP）。 在性能上，这些实验室样品已展现出显著优于传统材料的潜力。例如，HTP表面在模拟湿润条件下实现了法向粘附力提升约4倍、切向粘附力提升约8倍的可观效果；CMAP贴片原型则验证了其高效排汗（输运速度达500 mm/s）与高透气性（为商用贴片2.7倍）的协同能力。同时，我们已初步建立了微纳3D打印与激光加工等实验室尺度的精密制备工艺，能够实现微米级结构参数的可控制备，并围绕核心构思申请了2项发明专利，为后续开发提供了初步的知识产权保护。 目前，从实验室样品到成熟产品，仍面临工艺放大、长期稳定性、批量生产的一致性与成本控制等一系列亟待解决的工程化问题。因此，当前科技成果转化的首要任务是寻求产学研合作与资金支持，以开展深入的工艺稳定性研究、原型器件优化与特定应用场景的小试开发，为未来真正的产业化应用奠定坚实基础。

为推动本项目从实验室成果向产业化应用跨越，我们诚邀具备战略眼光和产业化能力的合作伙伴，共同开展后续的工程化开发与市场推广工作。目前，我们的技术虽在实验室阶段验证了显著优势，但在工艺放大、产品定型及市场准入方面仍需大力投入。具体的合作需求如下： 在资金方面，我们希望合作方能够投入专项资金，主要用于中试放大与产品迭代。这笔资金将用于支持几个关键方向：一是用于定制与采购中试级别的生产设备，以进行工艺稳定性测试与小批量试产，验证良品率与成本控制；二是用于支持针对特定应用场景（如爬壁机器人脚垫、医疗监测贴片）的原型产品深度开发、可靠性测试及必要的第三方检测与认证，例如医疗器械注册检验等，以满足行业准入标准。 在场地与设备方面，我们迫切需要合作方提供适用于中试的洁净车间或标准生产环境。实验室现有的微纳加工设备虽能制备高性能样品，但产能和尺度有限。要实现产业化，必须依托合作方具备或计划投入的中试级精密制造与封装设备，共同建立一条稳定、可扩展的示范生产线。 在人员方面，期望合作方能够配备一支跨学科的工程与产品化团队与我们对接。这支团队应包含材料工程师、机械工程师、生产工艺工程师以及质量管理专家，他们将与我们的基础研发团队紧密协作，共同解决从实验室到工厂过程中遇到的材料适配、工艺参数优化、产品结构设计等实际工程问题。同时，也希望合作方能够提供市场与商务拓展团队，基于其对行业需求的深刻理解，共同定义产品规格，并规划市场推广路径。 总而言之，我们理想的合作伙伴是那些在高端制造、医疗器械、机器人或柔性电子领域已有产业布局和技术积累的企业。我们期待一种 “优势互补、风险共担、收益共享” 的深度合作模式。由我们团队提供核心知识产权、技术原理与持续的技术支持，由合作方提供产业化所必需的工程、资金、市场和制造能力，共同加速将这项具有潜力的仿生粘附技术转化为具有市场竞争力的实体产品。

可国（境）内外转让

本科技成果若能成功转化，预期将产生积极的经济与社会效益。这些效益的实现在很大程度上取决于后续工程化开发的顺利推进与市场的逐步接受，其潜在价值主要体现在以下几个方面： 在经济效益层面，本项目技术为解决多个行业的具体痛点提供了新的技术路径，具备创造直接市场价值的潜力。一方面，基于蜜蜂足垫粘附力调控机制开发的仿生粘附垫，旨在提升在湿润、粗糙等非结构化表面的吸附可靠性。若能成功应用于爬壁机器人或精密抓取设备，将有助于减少因吸附失效导致的生产中断或产品损伤，为高端制造业带来降本增效的实际价值。另一方面，针对可穿戴设备领域“湿滑界面粘附失稳”这一共性难题所开发的仿生复合膜贴片，其高透气、抗汗液的特性，有望提升健康监测设备的舒适性与数据准确性。这为开发新一代长效、高保真的医疗级或消费级智能贴片提供了核心技术，有望在快速增长的柔性电子与远程医疗市场中占据一席之地。 在社会效益层面，本技术的价值主要体现在对相关产业技术进步的推动以及对公共健康的潜在积极影响。首先，仿生粘附技术为半导体晶圆搬运、太空在轨操作等对无损、可靠抓取要求极高的前沿领域提供了一种新颖的解决方案，虽仍需长期投入，但为我国突破相关领域的技术瓶颈贡献了有价值的探索。其次，仿生贴片技术如能最终应用于医疗监护领域，将有望提升慢性病患者（如心血管疾病患者）长期生理监测的依从性和数据质量，对推动个性化健康管理、降低社会医疗成本具有积极意义。此外，整个技术的研发与转化过程，也将为我国在仿生智能材料这一前沿领域积累宝贵的研发与工程化经验，助力相关领域的人才培养与自主创新能力提升。 综上所述，本项科技成果的转化，短期看，有望在特定工业与消费电子细分市场形成有竞争力的产品原型；长期看，其技术原理对我国解决高端制造瓶颈、提升公共健康水平具有潜在的战略价值。效益的实现是一个循序渐进的过程，需要持续的研发投入与市场培育。

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

高适应性粘附材料是制约爬壁机器人的快速稳定爬行能力和工业机械手的异形超薄构件抓取搬运能力的关键因素之一。当前仿生粘附材料面临粗糙表面粘附强度低、动态可逆性能弱等问题。本研究旨在揭示蜜蜂足垫粘附界面的微观结构与力学机制，构建多相混合界面力学模型，开发具有动态调控能力的仿生粘附材料，并推动其在非常规物体抓取、爬壁机器人、微电子搬运等领域的应用。 本研究利用Cryo-SEM和IRM等先进显微技术，观测到蜜蜂足垫界面存在气穴，首次提出界面为固-液-气三相混合接触状态，基于此建立了相应的粘附力学模型，揭示了多边形框架结构通过自吸效应增强垂直和切向粘附力，同时空气栓塞效应调控切向粘附的机制。高速摄影与双束SEM观测表明，剪切力作用下纤维内部弯曲变形，引发足垫表层扭转展开，实现粘附面积的快速调节，并提出了基于剪切敏感性的动态粘附调控机制。 在此基础上，团队设计了具有层级多边形框架结构的仿生湿粘附表面（HTP），通过优化结构参数，在湿润条件下显著提升了粘附性能，验证了毛细自吸和空气栓塞的粘附增强效应。同时，设计了仿生复合膜贴片，可在潮湿环境下形成高效液桥，通过空气栓塞与定向排汗，实现粘附力的大幅提升和高效排液，保证生理信号监测的稳定性和精准性。自主开发的仿生粘附垫，通过预压力与剪切力调控粘附面积，实现了粘附力的可逆调节，有效解决了在非结构化表面粘附能力不足的问题。 整个研究体系打通了由界面微观结构、粘附力学模型到仿生材料设计的完整流程。研究成果具有重要的理论创新价值和广泛的应用前景，不仅丰富了湿粘附的基础理论，也为智能柔性粘附器件的开发提供了技术支撑，有利于促进高端制造、医疗设备、仿生机器人等行业的技术升级与产业发展。