3D打印技術對“脊梁”形狀進行優(yōu)化，設計了6種形狀，包括“半圓”脊梁凸起、“半圓”溝槽、“矩形”脊梁凸起、“矩形”溝槽、“三角”脊梁凸起、“三角”脊梁溝槽甲蟲背。在此基礎上，對甲蟲背表面結構進行改性，采用等離子體處理、涂覆親水PVA、制備PVA水凝膠甲蟲背三種方法進行親水處理，探究背部凸起/溝槽類型、脊梁凸起形狀、親水處理類型對仿生甲蟲背集水性能的影響。

脊梁凸起與溝槽集水性能對比

首次設計三種不同形狀“脊梁”凸起時，同時設計了與之相同形狀、間距、條數(shù)的溝槽進行集水實驗。結果顯示，“脊梁”凸起集水量整體稍優(yōu)于凹槽。規(guī)則形狀溝槽雖利于后續(xù)水運輸，但凸起形狀初期捕集霧氣優(yōu)勢更明顯。凸起形狀曲率大，更利于小水滴凝結，縮短匯聚時間，提升集水效率，故后續(xù)采用“脊梁”凸起形狀甲蟲背。

不同脊梁凸起形狀集水性能

針對自然界甲蟲背背部單一凸起形狀，利用3D打印優(yōu)勢，設計了“半圓”“矩形”“三角”三種“脊梁”凸起形狀，且脊梁更密集。實驗表明，“三角”狀脊梁凸起集水量最高。三角形尖端曲率大，拉普拉斯壓差大，小水滴更易在尖端凝聚；圓形頂端平滑，拉普拉斯壓力小于三角形結構；矩形頂端最平，集水量最少。但“三角”脊梁凸起甲蟲背集水效率提升不明顯，故采用三種親水處理方法。

親水處理方法對集水性能的影響

采用等離子體處理、涂覆親水PVA、制備PVA水凝膠甲蟲背三種方法進行親水處理。實驗顯示，PVA水凝膠甲蟲背集水效果遠高于其他兩種，120 min集水量達16.65 g，比未經處理仿生甲蟲背提升八倍。接觸角測試表明，PVA水凝膠甲蟲背水接觸角為19°，表面更親水。且其他兩種方法親水基團或分子結構會隨時間衰減，親水性下降，而PVA水凝膠材質甲蟲背因本身材料親水，親水性不會下降，耐候性更好，對工程應用更具優(yōu)勢。

基于生物結構的集水優(yōu)化研究

基于自然界蜘蛛網和納米布沙漠甲蟲等生物特殊結構，采用3D打印技術重新設計優(yōu)化集水結構，進行表面結構改性，提升集水效率。利用數(shù)值模擬分析不同結構在潮濕環(huán)境下表面凝結液態(tài)水濃度差異，比較多種紡錘體結構組合變化及表面性能對仿生蜘蛛網集水性能的影響，探究結構集水性能最大化。

軟件理論模擬分析了給定自然環(huán)境下，十種蜘蛛絲上紡錘體結構在相同時間內潮濕環(huán)境下的凝結液態(tài)水濃度，“半凸半凹弧”紡錘體蜘蛛絲凝結液態(tài)水濃度最高，達77 mol/m2。通過數(shù)值模擬探索甲蟲背部脊梁凸起橫截面形狀對擴散通量的影響，發(fā)現(xiàn)三角形狀頂端擴散更明顯，揭示霧氣更易在“三角”脊梁凸起甲蟲背上凝結。

重新設計了十種蜘蛛絲紡錘體形狀，并對紡錘體連接絲做了曲率優(yōu)化。從紡錘體周期變化、形狀、連接絲曲率變化及集水表征時的霧流方向、蜘蛛網表面結構等因素探究發(fā)現(xiàn)，連接絲曲率優(yōu)化后的“半凸半凹弧”多尺寸紡錘體蜘蛛網經等離子體親水處理后，霧流方向與蜘蛛網面夾角為90°時集水效率最高，120 min集水達6.25 g，比未經處理的“單橢球”紡錘體蜘蛛網集水量提升六倍。因紡錘體曲率變化帶來拉普拉斯壓差，連接絲曲率優(yōu)化后整段蜘蛛絲每一處結構上的小水滴都會受力運輸，且紡錘體不對稱性導致水滴自發(fā)移動，加快了水滴匯聚滴落時間，集水效率大大提升。

最優(yōu)甲蟲背結構探究

設計六種甲蟲背部結構，探究甲蟲背部凹/凸結構及脊梁凸起橫截面形狀對集水性能的影響，并用三種方法進行親水處理。結果發(fā)現(xiàn)，復制甲蟲背模板制備“三角”狀脊梁凸起的PVA水凝膠甲蟲背（底部半徑R = 20 mm）集水效果最優(yōu)，表面親水，接觸角為19°，120 min集水量達16.65 g，較未經處理的樹脂“半圓”狀脊梁凸起甲蟲背提升八倍。原因在于提升了甲蟲背整體親水性，同時結構上的集水優(yōu)勢被放大，凸面結構前期捕集霧氣優(yōu)勢明顯，“三角”凸起尖端曲率大，更易捕集霧氣凝結形成小水珠，綜合優(yōu)勢提升了仿生甲蟲背的集水性能。本研究為解決干旱地區(qū)淡水資源缺乏問題，在工程應用上提供了制備更簡單便宜、集水效率更高的設備思路。

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