3D打印技術(shù)為自然界蜘蛛網(wǎng)的仿生制備帶來新突破。傳統(tǒng)方法制備的仿生蜘蛛絲多為單橢球狀，且橢球形狀與大小難以精確控制。而3D打印技術(shù)憑借其優(yōu)勢(shì)，對(duì)蜘蛛絲及紡錘體重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功設(shè)計(jì)出十種紡錘體形狀的蜘蛛網(wǎng)，并優(yōu)化紡錘體連接絲曲率，加速霧氣在蜘蛛絲上的凝結(jié)、運(yùn)輸、匯聚與滴落，有效提升集水效率。以下從多方面展開分析：

蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與集水性能提升

網(wǎng)面與霧流角度影響

固定霧流導(dǎo)管噴出方向，調(diào)整蜘蛛網(wǎng)面與霧流方向夾角。當(dāng)夾角為90°時(shí)，50分鐘集水量比0°時(shí)提升120%，后續(xù)集水實(shí)驗(yàn)均采用此角度。此時(shí)，蜘蛛網(wǎng)上每個(gè)紡錘體捕集霧氣效率最高。

紡錘體組合與形狀優(yōu)化

改變紡錘體周期內(nèi)組合方式，設(shè)計(jì)“單橢球”“雙橢球”“多尺寸橢球”三種。因三相接觸線（TCL）在粗糙帶紡錘體蜘蛛絲上不連續(xù)產(chǎn)生滯后效應(yīng)，“多尺寸橢球”紡錘體TCL更長(zhǎng)，凝結(jié)水滴體積大，集水量更多。帶有尖頂?shù)募忓N體拉普拉斯壓差和擴(kuò)散通量更大，霧氣更易在尖頂凝結(jié)成小水滴。進(jìn)一步思考紡錘體形狀，將其兩邊做成“斜邊”“內(nèi)凹”“外凸”組合，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)“半凸半凹弧”紡錘體蜘蛛網(wǎng)120分鐘集水量達(dá)6.25g，比“單橢球”提升6.5倍。

連接絲曲率處理

考慮蜘蛛絲中間小液滴運(yùn)輸受限，對(duì)相鄰紡錘體間連接絲做曲率變化處理，大紡錘體處連接絲截面直徑大于小紡錘體處。優(yōu)化后蜘蛛網(wǎng)集水效率提升65%。

表面親/疏水性影響

對(duì)蜘蛛網(wǎng)表面進(jìn)行親水與疏水處理對(duì)比，親水表面集水性能更優(yōu)，效率比疏水表面提升58%。疏水表面小液珠接觸角大，TCL短，運(yùn)輸易滴落；親水表面使小液滴粘附形成水膜，加快運(yùn)輸速度，提升集水量。

納米布沙漠甲蟲仿生研究

甲蟲集水背景與現(xiàn)狀

納米布沙漠干旱，淡水匱乏，霧氣是重要淡水來源。當(dāng)?shù)鼐用裼萌斯れF布收集淡水，但起霧時(shí)間僅30天左右，收集時(shí)間有限。納米布沙漠暗甲蟲種類多，部分利用霧氣攝取水分，如“Oymacis unguularis”和“O.bicolor”通過身體表面收集霧水。捕集霧氣在極端干旱地區(qū)取水優(yōu)勢(shì)明顯，捕集霧氣甲蟲在雨量少時(shí)仍大量存在，而缺乏適應(yīng)能力的甲蟲數(shù)量下降。仿生甲蟲背研究熱門，但多集中在親/疏水區(qū)域劃分和涂層研究，對(duì)特殊集水結(jié)構(gòu)研究較少。

甲蟲背脊梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)納米布沙漠甲蟲背部特殊結(jié)構(gòu)及優(yōu)異霧氣捕集能力，運(yùn)用3D打印技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)甲蟲背部“脊梁狀”結(jié)構(gòu)，使其更規(guī)則、密集。設(shè)計(jì)“半圓”“矩形”“三角”形狀的背部脊梁凸起及凹槽結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)顯示，“三角”形狀效果有所提升，但提升不明顯，故對(duì)甲蟲背部表面結(jié)構(gòu)處理。選取等離子體處理、PVA表面接枝、制備PVA凝膠甲蟲背三種親水處理方法，結(jié)果顯示制備的PVA水凝膠甲蟲背集水性能比等離子體處理表面提升八倍。

脊梁形狀與集水性能

選取“脊梁狀凸起”優(yōu)化，用3D打印技術(shù)構(gòu)筑規(guī)整結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)六種形狀。相同形狀下，保證脊梁截面形狀尺寸和相鄰脊梁水平距離一致，發(fā)揮結(jié)構(gòu)集水優(yōu)勢(shì)?！叭恰睜罴沽和蛊鸺紫x背120分鐘集水量最多，達(dá)2.64g，較矩形提升33%，較半圓提升11%，因其尖端曲率大，擴(kuò)散通量大，霧氣易凝結(jié)，水滴匯聚運(yùn)輸快。但整體提升不明顯，因未經(jīng)處理樹脂甲蟲背親水性不足，水滴運(yùn)輸效率低，需進(jìn)一步親水處理。

親水處理方法與集水效果

3D打印樹脂甲蟲背進(jìn)行親水改性，等離子體處理接上親水基團(tuán)，表面涂覆親水PVA。集水實(shí)驗(yàn)表明，兩種方法處理后集水量均提升，“三角”狀脊梁凸起甲蟲背集水量好于其他形狀，且提升比例更大。表面涂覆親水PVA的“三角”脊梁凸起甲蟲背120分鐘集水量達(dá)5.53g，比等離子體處理提升69%。但表面親水基團(tuán)和結(jié)構(gòu)會(huì)隨時(shí)間衰減，親水性下降。故采用親水材料PVA水凝膠制備甲蟲背，選擇三種脊梁凸起形狀，“三角”狀120分鐘集水量達(dá)16，較未經(jīng)處理提升八倍，比“矩形”狀提升94%，重復(fù)實(shí)驗(yàn)集水量都在16g以上。三角形結(jié)構(gòu)捕集霧氣水質(zhì)量高于圓形和矩形，因其尖端曲率大，拉普拉斯壓力大。接觸角測(cè)試也證實(shí)表面親水性提升的重要影響。

3D打印技術(shù)對(duì)納米布沙漠甲蟲進(jìn)行仿生制備，選擇優(yōu)化“脊梁”凸起形狀甲蟲背，因其有效捕集霧氣且凹槽利于水滴匯聚運(yùn)輸，集水效率更高。這些研究為制備高效集水設(shè)備提供重要參考。

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