鄭益華，張成春，孫金煥

（1.廣西科學(xué)院，南寧 536000；2.吉林大學(xué) a.工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 b.汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；3.吉林大學(xué) 威海仿生研究院，山東 威海 264200）

表面黏附水的脫離技術(shù)屬動(dòng)態(tài)過(guò)程范疇[1]，而不僅局限于提高表面的靜態(tài)疏水性。表面快速脫水是使用特定策略，結(jié)合表面非浸潤(rùn)性與疏水性，誘導(dǎo)固體壁面的黏附水快速、高效脫附，最終維持固體壁面干燥常態(tài)化的前沿性技術(shù)。固體表面潤(rùn)濕性是決定其如何應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域的關(guān)鍵因素，在諸多前沿新興學(xué)科，例如表面自清潔[2]、抑菌防污[3]、防霧耐腐蝕[4]、抑冰[5]、減阻[6]等，表面快速脫水技術(shù)甚至是迫切需求。表面快速脫水技術(shù)的關(guān)鍵在于，如何盡可能去除黏附于固體壁面的水，降低固、液相間的接觸時(shí)間，并期望黏附于表面的水完全脫離。

賦予固體表面超疏水性能（或是將固體表面超疏水化）是實(shí)現(xiàn)構(gòu)件表面快速脫水的重要方式。從本質(zhì)上來(lái)看，超疏水是一種仿生概念，其發(fā)展深受荷葉“出淤泥而不染”的啟發(fā)。液滴在荷葉[7]和一些鳥(niǎo)羽[8-9]上可呈現(xiàn)球狀，且極易滾落（圖1a—f）。超疏水表面是一種典型的仿生材料，表面的超疏水化可顯著削弱固液間的黏附力，極大降低固液相之間的接觸面積，提升表面快速脫水的成功率。因此超疏水這一極端潤(rùn)濕現(xiàn)象自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，便一直獲得國(guó)內(nèi)外學(xué)者的青睞。近十年間，我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委（NSFC）及各省、自治區(qū)科技主管部門(mén)對(duì)超疏水（仿生）領(lǐng)域的資助成倍增長(zhǎng)，含有“超疏水”關(guān)鍵詞的項(xiàng)目從361 項(xiàng)激增至800 項(xiàng)，美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)（USNSF）、歐洲研究委員會(huì)（ERC）等國(guó)外基金會(huì)資助的相關(guān)研究亦逐年劇增[10]。同時(shí)，在“Web of Science”檢索系統(tǒng)中，分析近10 年來(lái)含“Bionic*（譯為仿生學(xué)的）”關(guān)鍵詞的科研趨勢(shì)，可以清楚地看出，與仿生相關(guān)的發(fā)文量已從2011 年的238 篇，提高至2020 年的866篇。因此，仿生學(xué)理念的設(shè)計(jì)策略[11]是提高常規(guī)表面黏附水脫附效率的可靠途徑，且獲得越來(lái)越多前沿科學(xué)家們的關(guān)注與肯定（圖1i—j）。然而，在常規(guī)超疏水表面，黏附水并未從根本上得到有效去除，主要原因有：1）剛性表面在液滴撞擊后，基底無(wú)形變，無(wú)法創(chuàng)造使液體完全脫離壁面的有利條件，例如傾斜、振動(dòng)等。因此縱使表面呈現(xiàn)超疏水性，在首次完成固液交互過(guò)程后，由于空氣摩擦阻力、液滴內(nèi)部能量耗散等因素作用下，表面的水滴終將回落于基底，呈現(xiàn)隨機(jī)的殘留形貌。2）在無(wú)任何能量輸入的情況下，根據(jù)能量守恒定律，即便液滴可從超疏水表面上完全回彈，但僅依靠超疏水表面，同樣不具備徹底的去潤(rùn)濕與脫水能力。3）在超疏水表面去潤(rùn)濕與脫水過(guò)程中，液體在壁面上的黏附能力雖然因界面的極低黏附性而得以有效削弱，但與此同時(shí)，單液滴歷經(jīng)破裂、部分回彈、分散，大量衍生次級(jí)液滴仍會(huì)沉積于基底的表面，液體分布區(qū)域反而擴(kuò)大，同樣并未達(dá)到表面黏附水完全去除的預(yù)期結(jié)果。

圖1 表面潤(rùn)濕行為、機(jī)理示意圖及仿生超疏水領(lǐng)域研究趨勢(shì)分析[7-11]Fig.1 Surface wetting behavior, schematic diagram of mechanism and research trend analysis in the field of bionic superhydrophobicity[7-11]

隨著材料學(xué)和仿生學(xué)的發(fā)展，近年來(lái)《Nature》系列期刊上均報(bào)道了具有極強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性的超疏水表面，在超尖銳物體反復(fù)刮擦、強(qiáng)腐蝕酸堿甚至高速射流條件下，這些表面[12-13]仍能保持穩(wěn)定的超疏水性。在材料制備領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外對(duì)超疏水表面的研究長(zhǎng)期集中在，制備出耐久性能卓越的表面材料并施以復(fù)雜環(huán)境變量驗(yàn)證其機(jī)械及耐腐蝕性的穩(wěn)定性上。在眾多專(zhuān)項(xiàng)研究與理論綜述中，仍缺少專(zhuān)門(mén)利用仿生策略快速提高表面動(dòng)態(tài)脫水性能的總結(jié)概括報(bào)道，仿生快速脫水技術(shù)可充分利用工程仿生學(xué)、機(jī)械工程、界面流體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等多學(xué)科交叉優(yōu)勢(shì)，從本質(zhì)上大幅提高表面的動(dòng)態(tài)憎水性能。本文將從水的界面現(xiàn)象及基本理論、表面水黏附及脫附行為關(guān)鍵機(jī)理、表面被動(dòng)潤(rùn)濕控制的仿生功能原理、針對(duì)快速脫水的界面主動(dòng)潤(rùn)濕控制策略等多個(gè)方面，系統(tǒng)闡述仿生快速脫水技術(shù)的理論、應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)途徑及前景。

1 表面潤(rùn)濕及脫水行為

自從100 多年前沃辛頓（Worthington）[14]開(kāi)創(chuàng)表面液體動(dòng)態(tài)行為研究先河以來(lái)，表面脫水技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。表面的脫水是涉及液滴動(dòng)力學(xué)和兩相流的復(fù)雜學(xué)科，具有顯著隨機(jī)性和非定常性，難以定量表征。因此，為實(shí)現(xiàn)固液剝離行為的定量化描述，通常采用的手段是控制單液滴的物理性質(zhì)（例如液滴體積、撞擊速度等），并利用高速攝像實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)液滴形貌演化規(guī)律或?qū)σ旱芜M(jìn)行動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬[15–17]。

1.1 水的界面現(xiàn)象及基本理論

1.2 表面水黏附及脫附行為關(guān)鍵機(jī)理

根據(jù)表面潤(rùn)濕性和撞擊速度的不同，液滴撞擊在固體壁面能呈現(xiàn)出濺射殘留（親水表面）、部分回彈（疏水表面）、完全回彈（超疏水表面）等現(xiàn)象，如圖2 所示。非超疏水表面的脫水效率通常較低，液滴在鋪展或回縮過(guò)程中，表面“釘扎”效應(yīng)顯著，其內(nèi)部能量因壁面親水性等因素耗散過(guò)多，導(dǎo)致其不具備克服三相接觸線(xiàn)“釘扎”效應(yīng)的能力時(shí)[27]，表面會(huì)出現(xiàn)液體殘留，不能勝任脫水任務(wù)。

圖2 水滴的界面動(dòng)態(tài)行為及“釘扎”效應(yīng)（Pinning effect）[21,27,33]Fig.2 The interface dynamic behavior and "pinning" effect of water droplets: a—f) various interface phenomena of droplets[33];g) motion analysis of three-phase contact line[21]; h) pinning and de-pinning phenomenon[27]

撞擊于超疏水表面的液滴普遍能夠產(chǎn)生完全彈跳現(xiàn)象，表面脫水著重于在鋪展與回縮過(guò)程中液體能從表面完全脫離，如圖2f 所示[33-34]。表面脫水技術(shù)是以超疏水表面對(duì)液體的極端排斥、維持固液間的Cassie 狀態(tài)、三相接觸線(xiàn)“釘扎”效應(yīng)的顯著削弱為前提，表面三相接觸線(xiàn)“去釘扎”（De-pinning）[27]的完成，標(biāo)志著一次脫水過(guò)程的結(jié)束。其中，削弱表面對(duì)液體的“釘扎”效應(yīng)尤為重要，單液滴撞擊固體表面的動(dòng)態(tài)形貌演化規(guī)律由液體物理性質(zhì)和表面的固有屬性共同決定，主要可分為鋪展和回縮（亦稱(chēng)為后退）兩個(gè)過(guò)程（圖2g）。在液體脫離固體表面的過(guò)程中，三相接觸線(xiàn)“釘扎”效應(yīng)不斷削弱（圖2a—f，由上至下）。通常，去“釘扎”力可由式Fd=σ( cos(θr)-cos(θe))間接表達(dá)[35–37]，式中σ、θr、θe分別是表面張力、后退角、起始準(zhǔn)平衡角。在回縮過(guò)程中，液滴向幾何中心不斷內(nèi)聚（圖2h），其接觸角與移動(dòng)接觸線(xiàn)相互耦合。液滴具備的剩余能量之和必須大于或等于去回縮過(guò)程中“釘扎”力所做的功（絕對(duì)值），這是其能成功脫離固體表面的必要條件[38-39]。換言之，在鋪展和后退過(guò)程中，利用仿生超疏水表面穩(wěn)定的Cassie 狀態(tài)，能最小化三相接觸線(xiàn)“釘扎”效應(yīng)，避免過(guò)多能量耗散，維持液相的高動(dòng)能，最終儲(chǔ)備足夠彈離壁面的能力。仿生脫水設(shè)計(jì)的靈感源于自然界內(nèi)的生物，例如荷葉、水鳥(niǎo)等擁有卓越疏水功能的植物或動(dòng)物。通過(guò)模仿這些生物與生俱來(lái)的獨(dú)特疏水功能，賦予仿生材料表面超疏水性能，并模仿相應(yīng)的脫水行為，獲得的綜合脫水性能甚至可能超越自然生物本身。

2 仿生潤(rùn)濕控制行為對(duì)表面脫水策略的啟發(fā)

在傳統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)控制范疇中[40–42]，能量消耗是衡量控制屬性的關(guān)鍵參數(shù)。若在振動(dòng)控制的過(guò)程中，施加諸如致動(dòng)力時(shí)，必然存在能量消耗，這屬于“主動(dòng)控制”范疇；反之，自發(fā)式且不存在額外能量消耗的振動(dòng)控制行為可歸納為“被動(dòng)控制”。雖然“被動(dòng)控制”的效果較差，但實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低廉。僅從控制效果來(lái)看，相較于“被動(dòng)控制”，盡管“主動(dòng)控制”需額外的能量輸入，但其具有控制效果理想、實(shí)現(xiàn)策略與途徑靈活多樣、工況適應(yīng)性極強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。在生物界中，對(duì)潤(rùn)濕的控制源于它們趨利避害的本能，植物與動(dòng)物的根本區(qū)別在于是否具有能動(dòng)意識(shí)與能動(dòng)性，這與傳統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)控制方式在原理上存在諸多相似之處，生物表面對(duì)潤(rùn)濕的控制行為和方式也同樣能歸納為“被動(dòng)控制”與“主動(dòng)控制”。

2.1 表面被動(dòng)潤(rùn)濕控制的仿生功能原理

大雨對(duì)植物會(huì)造成巨大沖擊，尤其是直接接觸雨水的部位，例如植物葉面，它們承受的撞擊力十分巨大，巨大的沖擊甚至?xí)?dǎo)致植株破壞。因此，許多植物已進(jìn)化出了卓越的功能，可在復(fù)雜多變的暴雨環(huán)境下生存。

2.1.1 植物表面的被動(dòng)脫水現(xiàn)象

大多數(shù)植物在暴雨來(lái)臨時(shí)，往往不具備主動(dòng)防御功能（即“被動(dòng)”潤(rùn)濕控制）。雖然植物不具備動(dòng)物的能動(dòng)性，也無(wú)法主動(dòng)應(yīng)對(duì)暴雨的侵蝕，但一些特殊的植物（例如荷葉、水稻葉[23,43]等）卻可充分利用葉片表面的疏水性和特殊宏觀(guān)結(jié)構(gòu)，達(dá)到快速脫水、最大化降低雨滴沖擊損害的目的。較為經(jīng)典的研究成果始于2013 年Nature上的報(bào)道，它證實(shí)了在超疏水葉片的基礎(chǔ)上，宏觀(guān)橫紋對(duì)液滴潤(rùn)濕動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的根本性改變，誘導(dǎo)非對(duì)稱(chēng)鋪展與回縮行為，與常規(guī)超疏水表面相比，接觸時(shí)間與理論接觸時(shí)間tc相比，降低53%（圖3a）。在后人進(jìn)一步的研究中，發(fā)現(xiàn)多道橫紋使水稻葉具備各向異性的潤(rùn)濕特性，直接改變液滴在交互過(guò)程中產(chǎn)生方向性的流動(dòng)。受此啟發(fā)制備出各向異性的仿生超疏水表面，可在不改變超疏水潤(rùn)濕性的前提下，利用特殊宏觀(guān)紋理，降低40%～50%的接觸時(shí)間（圖3b）。

圖3 植物葉片超疏水性與宏觀(guān)橫紋協(xié)同快速脫水（“被動(dòng)”潤(rùn)濕控制）[23,43]Fig.3 Synergistically rapid dehydration is attributed to the superhydrophobicity and macroscopic horizontal stripes of the plant leaves ("passive" wetting control): a) reduce contact time through redistribution of droplet mass[23]; b) the rapid drying strategy utilizes the synergy of macroscopic array structure and superhydrophobicity[43]

2.1.2 表面被動(dòng)脫水的仿生應(yīng)用

在無(wú)任何能量輸入的情況下，在超疏水表面構(gòu)造特殊宏觀(guān)結(jié)構(gòu)，也可人為地大幅提高表面的被動(dòng)脫水性能。較為典型的是，香港城市大學(xué)王鉆開(kāi)等[44]進(jìn)一步定量化地闡釋了超疏水表面含曲率宏觀(guān)陣列結(jié)構(gòu)對(duì)快速脫水的影響。在含曲率的“子彈頭”陣列上，理論接觸時(shí)間縮短80%，成功挑戰(zhàn)吉尼斯世界紀(jì)錄。而在此之前已取得普遍共識(shí)的是，單液滴撞擊在超疏水表面后，理論接觸時(shí)間tc是不依賴(lài)于液滴尺寸變化的常量。液滴撞擊在傳統(tǒng)超疏水表面會(huì)出現(xiàn)典型的鋪展、回縮、彈離，耗時(shí)為tc。但在該項(xiàng)研究中，液滴在經(jīng)歷短暫的鋪展后，回縮和彈離過(guò)程同步進(jìn)行，這使接觸時(shí)間僅為0.2tc。在此種表面的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制襯底的傾斜角度來(lái)促進(jìn)液滴潤(rùn)濕動(dòng)力學(xué)的改變，已經(jīng)被證明是一種可加速水從表面分離的可靠方式（圖4a），這對(duì)仿生表面的脫水設(shè)計(jì)起到了良好的啟示作用。

通過(guò)表面宏觀(guān)紋理將液滴“劈裂”，可以分散液滴重心，使液滴質(zhì)量重分布，使液體產(chǎn)生方向性流動(dòng)[45]，如圖4b 所示。表面的各向異性產(chǎn)生的根源在于陣列排布的紋理結(jié)構(gòu)，陣列結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致壁面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的非連續(xù)性和化學(xué)的非均質(zhì)性，形成規(guī)則變化的潤(rùn)濕梯度，最終呈現(xiàn)具有方向性的潤(rùn)濕行為[46]。

圖4 利用特殊宏觀(guān)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)仿生表面快速脫水[44-45]Fig.4 The rapid dehydration of the biomimetic surface utilizes multiple special macrostructures: a) the theoretical contact time is reduced by 80% on the "bullet" array with curvature[44]; b) dynamic morphology evolution of droplets on a curvature array[45]

相比能夠決定表面疏水性的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，宏觀(guān)結(jié)構(gòu)的形式、構(gòu)形和種類(lèi)更能影響表面的潤(rùn)濕動(dòng)力學(xué)和“被動(dòng)”脫水性能。從圖5 可以看出，各向異性表面的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕行為受陣列尺寸參數(shù)的控制，基于介觀(guān)尺度的格子玻爾茲曼（Lattice Boltzmann Method，LBM）數(shù)值模擬分析[47]，發(fā)現(xiàn)凹、凸結(jié)構(gòu)超疏水表面與各向異性的協(xié)同作用可降低接觸時(shí)間，且接觸時(shí)間的減少量在一定程度內(nèi)與曲率呈負(fù)相關(guān)[48]。

圖5 仿生表面曲率增強(qiáng)快速脫水實(shí)驗(yàn)與模擬[47-48]Fig.5 Experiments and simulations on bionic surface curvature enhanced rapid dewatering: a) experimental and simulation analysis on the impact of droplets on concave and convex surfaces [47]; b) the influence of various curvatures on droplet dynamics[48]

利用表面彈性完成脫水是被動(dòng)仿生策略之一，如圖6 所示。材料的彈性由彈性體的性質(zhì)決定，彈性體（Elastic body）是一種相對(duì)剛體的概念，剛體（Rigid body）是一種理想化模型，絕對(duì)剛體在現(xiàn)實(shí)中并不存在，因此不論碰撞力的大小，液滴撞擊在表面均會(huì)產(chǎn)生或多或少、可逆或不可逆的形變。蝶翅[39]、翠鳥(niǎo)羽毛[49]、荷葉及其他植物葉片本身并不具備能動(dòng)性，但在脫水過(guò)程中，它們可借助雨滴的撞擊力和由此產(chǎn)生的彈/柔性往復(fù)形變[50]完成后續(xù)的表面脫水，盡可能維持體表或葉片的干燥。液滴在撞擊彈/柔性壁面過(guò)程中的耦合作用機(jī)制復(fù)雜，表面柔性呈非線(xiàn)性，且形變與液滴撞擊速度（韋伯?dāng)?shù)）密切相關(guān)，難以定量化分析。

圖6 基于表面彈/柔性的脫水策略[39,49,51]Fig.6 Hydrophobic strategy based on surface elasticity: a) the flexibility of the butterfly wing enhances the water repellency of the surface[39]; b) passive dehydration of kingfisher feathers[49]; c) test of droplet packing kingfisher feather[51]

除了試驗(yàn)手段，在理論推導(dǎo)過(guò)程中，通常還將液滴和彈性基底分別視為獨(dú)立的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)（圖7）。通過(guò)代入子系統(tǒng)的等效剛度、阻尼、質(zhì)量，再推導(dǎo)出描述該系統(tǒng)的彈簧-質(zhì)量方程，結(jié)合有限元數(shù)值模擬平臺(tái)，例如開(kāi)源計(jì)算流體力學(xué)分析軟件OpenFOAM[52]，對(duì)該界面過(guò)程進(jìn)行機(jī)理性描述和微觀(guān)表達(dá)。研究結(jié)果表明，彈性在表面潤(rùn)濕與脫水過(guò)程中不但不可忽略，而且還起到至關(guān)重要的作用。一方面，對(duì)于生物而言，表面的柔性可起到緩沖保護(hù)作用；另一方面，表面剛度及疏水性的巧妙結(jié)合可使液滴內(nèi)質(zhì)量重分布，降低接觸時(shí)間（降低8.5%）[51]，液體可以在表面以滑動(dòng)脫附的形式，實(shí)現(xiàn)表面快速脫水。

圖7 液滴從彈性表面脫附的理論推導(dǎo)與數(shù)值模擬[50-52]Fig.7 Theoretical derivation and numerical simulation of droplet desorption from elastic surfaces: a) analysis of droplets hitting elastic beams[50]; b) establishment of droplet-elastic coupling model[51]; c) numerical simulation of droplet impacting on elastic wall[52]

2.2 針對(duì)快速脫水的界面主動(dòng)潤(rùn)濕控制策略

2.2.1 生物表面動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕控制及主動(dòng)脫水策略

雖然以自清潔為代表的荷葉表面具有卓越的憎水性，且水在與超疏水表面交互過(guò)程中的能量耗散極低，但從能量守恒的原理來(lái)看，撞擊后的液滴雖歷經(jīng)多次往復(fù)式彈跳，以孤立、分散或碎裂等形式存在，但荷葉上的水實(shí)質(zhì)上并未脫離荷葉表面，且液體在表面的接觸范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，這也是雨后荷葉上仍會(huì)出現(xiàn)水珠的原因。盡管如此，一些生物（通常是存在主動(dòng)意識(shí)的動(dòng)物）仍會(huì)利用機(jī)械性運(yùn)動(dòng)或是借助外力（如圖5 中的雨滴撞擊，表面通常具有低剛度、大柔性），達(dá)到表面水完全脫附的目的（主動(dòng)脫水）。

翠鳥(niǎo)[53]等小型鳥(niǎo)類(lèi)在躲避雨水等自然災(zāi)害時(shí)，采取疏水性與運(yùn)動(dòng)融合的脫水行為是一種卓越的主、被動(dòng)協(xié)同潤(rùn)濕控制策略，可為表面仿生快速脫水提供行之有效的技術(shù)靈感（圖8a）。翠鳥(niǎo)在捕食過(guò)程中，可實(shí)現(xiàn)快速出入水。在較難實(shí)現(xiàn)的出水過(guò)程中，翠鳥(niǎo)仍能迅速擺脫體表的黏附水，完成水中到空中模式的快速切換，且體表始終維持干燥。吉林大學(xué)任露泉團(tuán)隊(duì)[54]在對(duì)翠鳥(niǎo)潤(rùn)濕控制的系統(tǒng)研究中發(fā)現(xiàn)，翠鳥(niǎo)體表的疏水性是決定其被動(dòng)脫水性能的關(guān)鍵。翠鳥(niǎo)體表潤(rùn)濕性分布不一，翅羽等呈超疏水性（接觸角θ約151°，滾動(dòng)角θs<10°），整體呈疏水性（接觸角90°<θs<150°，滾動(dòng)角θs<10°）。在出水過(guò)程中，翠鳥(niǎo)采取急加速，快速晃動(dòng)身體各部位，揮翅拍打產(chǎn)生多頻振動(dòng)等行為，與表面疏水性形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，為快速脫離水面、維持體表干燥創(chuàng)造了必要條件。蜂鳥(niǎo)[55]在大雨中穩(wěn)健的懸停現(xiàn)象同樣得益于其晃動(dòng)的自主行為，如圖8b所示。蜂鳥(niǎo)頭部可根據(jù)不同雨量強(qiáng)度，在晃動(dòng)頻率為28.4～31.7 Hz 進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。蚊蟲(chóng)[56]在雨滴黏附過(guò)程中，主動(dòng)沖擊固體壁面，利用振動(dòng)產(chǎn)生的慣性，成倍提高飛行速度，去除將近三分之二的表面黏附水，這使蚊蟲(chóng)能在50 倍于自身的體重的雨滴撞擊下生存繁殖[57-58]。鼠類(lèi)、犬類(lèi)、羊等哺乳動(dòng)物為避免潤(rùn)濕導(dǎo)致的體溫降低，利用自身柔性和離心甩動(dòng)（圖8c—h），加速體表液體的脫離。實(shí)驗(yàn)表明，哺乳動(dòng)物脫水時(shí)甩動(dòng)的頻率與體重呈負(fù)相關(guān)[59]。

圖8 生物表面主動(dòng)快速脫水現(xiàn)象[59]Fig.8 Active rapid dehydration of biological surfaces[59]: a) kingfishers; b) hummingbirds; c) adult mouse; d) mosquitoes; e) rat;f) kunekune pig; g) boer goat; h) labrador retriever

生物表面黏附水的主動(dòng)快速脫附是在“被動(dòng)”脫水的基礎(chǔ)之上衍生而來(lái)的。翠鳥(niǎo)、蜂鳥(niǎo)、昆蟲(chóng)、哺乳動(dòng)物不但巧妙地利用其疏水外表，還充分地運(yùn)用它們的主動(dòng)意識(shí)，控制軀體產(chǎn)生平動(dòng)、振動(dòng)、離心運(yùn)動(dòng)等行為，完成表面黏附水的快速去除。與動(dòng)物不同，植物表面只有在受到外部力撞擊后，彈性表面才會(huì)產(chǎn)生持續(xù)性往復(fù)阻尼振動(dòng)行為，實(shí)現(xiàn)從無(wú)能量輸入的“被動(dòng)脫水”轉(zhuǎn)化為存在能量輸入的“主動(dòng)脫水”。

2.2.2 仿生表面主動(dòng)脫水行為機(jī)理及實(shí)現(xiàn)途徑

表面黏附水的有效、快速脫離是壁面運(yùn)動(dòng)與疏水性的耦合。關(guān)于靜止表面脫水已有大量報(bào)道[23,28-32,60-61]，而對(duì)與表面主動(dòng)脫水技術(shù)密切相關(guān)的可運(yùn)動(dòng)表面的液滴動(dòng)態(tài)行為研究起步較晚，直接闡述表面脫水和基底運(yùn)動(dòng)關(guān)系的研究較少。在此之前，大多是從物理、界面力學(xué)等層面描述液體動(dòng)態(tài)形貌的演化規(guī)律。由于存在振動(dòng)、線(xiàn)性等不同形式的機(jī)械性運(yùn)動(dòng)和能量輸入，故表面發(fā)生的黏附水脫離行為本質(zhì)上屬于主動(dòng)脫水范疇，直到近年來(lái)才逐漸獲得關(guān)注。

將驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的振動(dòng)行為賦予表面，可在不改變表面浸潤(rùn)特性的前提下，通過(guò)仿生的方法從本質(zhì)上影響潤(rùn)濕動(dòng)力學(xué)。生物在擺脫體表黏附水時(shí)，搖晃產(chǎn)生的振動(dòng)行為可在實(shí)驗(yàn)室中采用激振器等方式模擬。利用共振揚(yáng)聲器等激振器，模擬生物在指定頻率激發(fā)表面產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)，也是一種實(shí)現(xiàn)仿生主動(dòng)脫水的方式，如圖9 所示。揚(yáng)聲器的頻率可由自定義代碼編程或軟件控制，經(jīng)由功放器，最終在揚(yáng)聲器端產(chǎn)生振動(dòng)響應(yīng)。Weisensee[62]等分析了液滴撞擊不同彈性模量的普通、超疏水薄板所涉及液滴的動(dòng)力學(xué)機(jī)理性問(wèn)題。結(jié)果表明，表面的振動(dòng)頻率、潤(rùn)濕性、薄板的彈性模量、液滴沖擊時(shí)基底所處相位均可直接影響固液接觸時(shí)間，疏水表面較親水表面的接觸時(shí)間短；低彈性模量材料的表面較高彈性模量的接觸時(shí)間短；當(dāng)液滴接觸相位與基底運(yùn)動(dòng)相位相反時(shí)，接觸時(shí)間最多可減小一半，反之，兩者相位相同時(shí)，接觸時(shí)間最大可增加1.6 倍。當(dāng)往復(fù)振動(dòng)的表面向上移動(dòng)，與液滴（向下運(yùn)動(dòng)）產(chǎn)生相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度場(chǎng)產(chǎn)生線(xiàn)性疊加現(xiàn)象，能顯著提升表面水脫離的速度[54]。盡管在特定情況下，振動(dòng)表面的接觸時(shí)間存在增加的可能，但可通過(guò)人為控制基板的振動(dòng)頻率，使其與固液接觸時(shí)間處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)，結(jié)合振動(dòng)表面的超疏水性，實(shí)現(xiàn)表面快速主動(dòng)脫水。在振動(dòng)持續(xù)過(guò)程中，表面始終能維持穩(wěn)定的干燥狀態(tài)，振動(dòng)超疏水表面的黏附水實(shí)現(xiàn)了有效且快速地脫附。

圖9 振動(dòng)對(duì)表面脫水影響的實(shí)驗(yàn)研究[54,62]Fig.9 Research on active surface dehydration mechanism and bionic strategy: a) droplet hit the vibrating surface[62]; b) droplet hit the vibrating surface[54]

表面移動(dòng)是一種能持續(xù)誘導(dǎo)快速脫水且能有效避免區(qū)域連續(xù)潤(rùn)濕的主動(dòng)控制策略，該種快速脫水策略深受翠鳥(niǎo)、蜂鳥(niǎo)等小型鳥(niǎo)類(lèi)在極端雨季來(lái)臨時(shí)仍能高速飛翔的啟發(fā)。表面的移動(dòng)對(duì)固液交互行為產(chǎn)生非平衡性的影響，能促進(jìn)黏附水產(chǎn)生與速度矢量方向相關(guān)的非對(duì)稱(chēng)形貌，如圖10 所示[63-64]。盡管前人并未專(zhuān)門(mén)針對(duì)表面脫水的關(guān)鍵參數(shù)，例如接觸時(shí)間等開(kāi)展定量化研究，但實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)液滴撞擊在不同移動(dòng)速度下平動(dòng)中的表面后，展現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)形貌與表面的運(yùn)動(dòng)方向顯著相關(guān)。液滴的鋪展朝著運(yùn)動(dòng)方向的下游展開(kāi)，在運(yùn)動(dòng)速度相反方向的流動(dòng)受到抑制，非對(duì)稱(chēng)效應(yīng)顯著。

圖10 表面的運(yùn)動(dòng)對(duì)撞擊液滴動(dòng)態(tài)形貌的影響規(guī)律及分析[63-64]Fig.10 Droplet impact on the moving surface[63-64]: a) droplet impact on the moving surface; b) simulation of droplet impact on the moving surface

基于格子玻爾茲曼的數(shù)值模擬表明（圖11），液滴的非對(duì)稱(chēng)效應(yīng)歸因于表面運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的移動(dòng)接觸線(xiàn)的非平衡“釘扎力”，產(chǎn)生背離于運(yùn)動(dòng)方向的翻滾彈離，運(yùn)動(dòng)表面邊緣，最終完全脫離表面。彈離模式、液滴滯留于空中的時(shí)間與表面宏觀(guān)紋理和運(yùn)動(dòng)矢量間的夾角顯著相關(guān)[65]。液滴在表面產(chǎn)生連續(xù)翻滾行為是較為理想的脫水方式，相關(guān)理論已在跨介質(zhì)飛行器表面的防浸潤(rùn)領(lǐng)域中獲得了應(yīng)用驗(yàn)證[54]。表面移動(dòng)可大幅避免相同區(qū)域內(nèi)連續(xù)性、不間斷撞擊沖蝕行為，固液接觸區(qū)域的不斷變換，在超疏水表面構(gòu)造特殊宏觀(guān)結(jié)構(gòu)，還可誘導(dǎo)水的非對(duì)稱(chēng)流動(dòng)形貌與定向脫離，控制撞擊水體和黏附水體的方向性流動(dòng)。

圖11 利用仿生策略在移動(dòng)紋理表面實(shí)現(xiàn)液滴翻滾與快速脫水[65]Fig.11 The moving surface induces the directional bouncing[65]: a) bionic dehydration behavior inspired by kingfisher's flight; b)directional bouncing of droplets on a moving surface with a textured array; c) numerical simulation analysis of droplet rolling caused by surface movement

在超疏水表面高性能與高耐候性的共同加持下[66]，采用仿生策略，于工程表面大規(guī)模誘導(dǎo)黏附水高效、實(shí)質(zhì)性地主動(dòng)脫離將成為可能。在工程中，如機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行、航空器的飛行等，均會(huì)形成振動(dòng)、移動(dòng)等多種機(jī)械性運(yùn)動(dòng)耦合的“仿生主動(dòng)脫水”必要有利因素，這些“主動(dòng)”的特征與表面超疏水性、各向異性等“被動(dòng)快速脫水”優(yōu)異特性協(xié)同，可實(shí)現(xiàn)主、被動(dòng)耦合的表面快速脫水。

3 結(jié)語(yǔ)

仿生超疏水表面具有優(yōu)異的憎水性，由其衍生而來(lái)的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕控制技術(shù)，在眾多前沿領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。本文從潤(rùn)濕基本理論出發(fā)，從自然界的靜態(tài)潤(rùn)濕現(xiàn)象過(guò)渡到表面的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕、脫水標(biāo)準(zhǔn)。參照振動(dòng)控制的原理，以在脫水時(shí)是否需要額外能量消耗，歸納了自然界與人工制造表面的“被動(dòng)”與“主動(dòng)”脫水策略。主要闡述了表面快速脫水的實(shí)現(xiàn)途徑、表面黏附水動(dòng)態(tài)脫附行為及機(jī)理、表面潤(rùn)濕仿生控制技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀。其特點(diǎn)與優(yōu)劣性可總結(jié)如下：

1）受自然界植物葉片、鳥(niǎo)羽表面等動(dòng)態(tài)脫水行為啟發(fā)，通過(guò)在表面構(gòu)造特殊宏觀(guān)紋理結(jié)構(gòu)、傾斜角度、柔性/彈性和將表面超疏水化等，或是上述多個(gè)因素協(xié)同，可在無(wú)額外能量消耗的情況下（被動(dòng)脫水），以較為低廉的成本，實(shí)現(xiàn)表面憎水性的增強(qiáng)與水體快速脫離。

2）從能量守恒定律的角度出發(fā)，僅依靠表面的超疏水靜態(tài)疏水性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)表面水體的實(shí)質(zhì)性脫附。在“被動(dòng)脫水”的基礎(chǔ)上，表面的振動(dòng)、移動(dòng)等運(yùn)動(dòng)行為將進(jìn)一步提高脫水效率與成功率，“被動(dòng)脫水”也因存在能量消耗而轉(zhuǎn)為“主動(dòng)脫水”。還需進(jìn)一步研究多種運(yùn)動(dòng)因素下的綜合脫水性能，盡管機(jī)構(gòu)設(shè)置相對(duì)復(fù)雜，但“主動(dòng)脫水”具有更寬幅的工況適應(yīng)性，脫水效果更為理想。

3）表面仿生脫水技術(shù)的穩(wěn)定性依賴(lài)于表面疏水涂層的耐候性與機(jī)械強(qiáng)度，開(kāi)發(fā)耐用可靠的超疏水表面涂層是實(shí)現(xiàn)快速脫水技術(shù)的基本前提。使表面黏附水快速脫附與接觸時(shí)間最小化的實(shí)現(xiàn)途徑可歸納為，穩(wěn)健超疏水（還可包含各向異性、梯度、傾斜角度等在內(nèi)的一種或多種特殊潤(rùn)濕性能）與仿生機(jī)械運(yùn)動(dòng)（如振動(dòng)、移動(dòng)、離心運(yùn)動(dòng)等）的耦合。

表面快速脫水仿生技術(shù)源于自然界的靈感，其實(shí)現(xiàn)方式在于，通過(guò)模仿自然界生物具有的獨(dú)特卓越表面動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕控制功能，賦予工程表面維持長(zhǎng)效干燥性與自清潔性。本文總結(jié)歸納了表面快速脫水技術(shù)的仿生控制理論思想、研究現(xiàn)狀及實(shí)現(xiàn)途徑，以期擴(kuò)充領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)理論框架體系，為仿生高效脫水理論應(yīng)用于表面水的快速脫附提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。