2022年8月杂志俱乐部:通往工程多功能头发和皮毛的路线

Sameh Tawfick，伊利诺伊大学香槟分校(tawfick@illinois.edu）

鸟类有羽毛，动物有皮毛，人类和植物有毛发，模仿这些多功能形态无疑将改善未来的机器人、建筑和无人机

作品简介:

毛发、鳍和其他纤细的结构在自然界中无处不在。它们被观察到具有不同的形态，在不同的尺度和堆积密度，但通常是高度变形的，并表现出复杂的、集体的和响应性的运动。植物、昆虫和动物用毛发、皮毛或鳍来做各种各样的重要的目的包括防御、温度调节、光学外观、机械保护、视觉、声学和化学信号。有趣的是，对于外行人来说，柔软几乎等同于长而变形的毛发，就像动物皮毛一样。此外，根据外行人的说法，头发和皮毛的主要功能是热调节和机械顺应性的惊人结合。除了在大多数动物身上发现的皮毛，大自然还展示了一些非常不寻常的热调节功能，这些功能利用了纤细的毛发。毛茸茸的叶子银树(白桦)使这种树能够在极端炎热、干燥和潮湿的天气中生存(图1 e, f)．银色树叶上柔滑的银毛与树叶平行，在炎热干燥的天气里，通过反射辐射和阻碍水分蒸发来保护树叶不被干燥，而在潮湿的天气里，这些毛发聚集在一起并保持垂直，以促进空气流通，这也使树叶看起来不那么耀眼，从而对捕食者不那么有吸引力。另一个有趣的例子是最近发现的不寻常的热调节，利用海獭的皮毛变形性和复杂的集体反应。覆盖在海獭身上的皮毛的束状形态在热调节中起着至关重要的作用，使它们能够在寒冷的海洋中游泳捕获空气在他们的长头发之间(图1 g, h)，形成复杂的帐篷结构。最后但并非最不重要的是，最复杂和不寻常的头发反应是在tarsa-hair on甲虫脚控制他们的捆绑和聚集形态，以促进自卫对抗捕食者增加脚的附着力。这是通过从流经皮肤的毛孔中分泌油脂来组装这些毛发并使粘附界面变硬(图1罪犯)．我们在这里注意到综合毛发材料系统的出现，其中不仅头发可以改变其形态以适应功能，而且还可以响应另一种介质(如油脂分泌)的内部刺激。最后，研究了头发阵列的流固耦合减少流体阻力．

图1。多功能头发的生物灵感。(a)天然毛发是真正的多功能材料，具有以下特性:[i]防止叶片内部水分不受控制地流失的运输屏障，[ii]表面润湿，[iii]防止病原体攻击和昆虫的自清洁特性，[iv]光学信号:宿主/昆虫识别和表皮细胞发育的信号，[v]防止有害辐射，[vi]机械性能:抵抗机械应力和维持生理完整性，以及[vii]通过增加边界层上的湍流气流来调节温度。(b)甲虫可以通过改变它们的tarsa毛发聚集来固定自己，并在大的拉力中幸存下来。(c)甲虫的侧视图，显示它们的小脚。(d)聚集的脚毛(上)和分散的脚毛(下)，通过腺体分泌特殊液体来控制脚毛粘连防御。(e)银色树叶上浓密的水平排列的毛发，可以保护树叶不受热，并改变其方向，以便在更潮湿的环境中循环。(f)树毛高倍扫描电子显微镜(SEM)。海獭有一种惊人的温度调节能力，这是由于它们在每次潜水前浓密的长毛能捕获空气。 (h) Aggregation and coalescence morphology of the hair enables them to trap hair during swimming and diving.

一种非凡的工程材料:

因此，毛发和皮毛可以成为一种非凡的未来工程材料。受到自然用途的启发，人们可以想象建筑和结构上涂有多功能毛发:它将作为一种主动和自适应的热调节材料，随着一天中的时间、天气和/或季节而改变它们的性能。头发阵列还可以自我清洁，防水，并被用作活动façade显示器，可以改变其模式和组织，创造一个不寻常但有吸引力的建筑特征。小型无人机和移动机器人也可以从毛发和皮毛中受益，用于热调节、自清洁、减震和伪装。虽然毛发和皮毛在自然界中如此突出，但在工程应用中几乎完全不存在。在这里，我们将尝试讨论阻碍使用头发作为工程材料的工程挑战。

头发和头发阵列的工程定义:

在这里，我们首先应该更精确地定义头发:“一根头发是一种细长的高纵横比结构，固定在其底部，自由弯曲超过+/- 90°，没有失效、屈服或断裂。”此外，我们定义了毛发阵列或皮毛:“毛发阵列是由大量密集的毛发组成的，产生了有趣的相互作用和集体机制。当每根头发的长度至少是头发之间间距的5倍时，观察该阵列中的集体行为。当它向任何方向弯曲时，它都可以与至少其他四根头发相互作用。”这里使用了一个基于力学的定义，这促进了即将到来的力学讨论。例如，考虑由屈服应变极限为0.001的材料(如大多数金属)制成的圆柱形毛。在大挠度的情况下，表面应变需要~ r/ r < 0.001，其中r是头发半径，r是曲率半径，达到定义中的+/- 90°。因此，长宽比(长度/半径)必须是1000的数量级。观察人类的头发，它通常有0.02毫米的半径，因此当它的长度为~ O(10)毫米或更高时，它会像头发一样弯曲和流动。许多有机材料具有更高的应变极限~0.01，因此当长度为O(1) mm时，其表现就像头发一样。头发也应该是可逆粘着的，即始终能够恢复其原始形状并重新配置其组装。 The exact length and radius are defined by the function: for instance, long dense hair is needed for thermal regulation of large animals while short hair can be sufficient for signal transmission in insects. Hair length in nature is most commonly > 5 mm. We expect that a 5 mm length will be the mean length for hair as an engineering material in a wide variety of applications.

是什么挑战阻碍了毛发和皮毛提供如此丰富的功能?在我看来，主要的三个挑战是:制造、机械和可靠性。

制造:

目前还没有可扩展的工艺来生产表面有集成毛发的三维零件。根据这一定义，绝大多数制造的微纳米支柱并没有模仿与本讨论相关的天然毛发和皮毛。例如，博世深度反应离子蚀刻(DRIE)生产的柱宽比为>20，太短了，不能被认为是头发，当然也不能在头发定义中的+/- 90°下变形。DRIE可用于从硅片上切割半径为0.02 mm、高度为0.4 mm的孔，达到>10的宽高比，从而制造负模。反过来，这些模具被用来制造弹性柱子，这些柱子确实是高度变形的，但太短了，无法模拟生物毛发及其功能，例如在热调节或信号传递方面。最近，麻省理工学院媒体实验室(有形媒体集团)进行了一项研究，改进了3D打印机来绘制长丝，从而使其变薄和拉长。这个项目叫做纤毛，还包括各种应用的愿景，如基于长发的人机界面。我个人受到这个项目中与我自己一致的想法的启发。这种制造技术很有趣，如果使用喷嘴阵列，则可能是可扩展的。为了在3D表面上生成毛发，除了XYZ线性运动之外，还需要另外两个旋转轴来提供自由度，例如在球形上生成毛发。

图2。通过连续数字轻制造(cDLM)对头发进行增材制造(AM)(未发表结果)。(a)传统数字光投影本质上速度较慢，由于聚合物固化的限制，无法精确打印长发，需要在步骤之间拉出打印对象，以允许新聚合物层的铺展及其氧辅助交联。(b) cDLM允许快速打印高纵横比纹理，因为使用了专利的透氧窗口，可以不间断地连续打印部件，并实现体素的无缝对齐。(c)我们的团队正在开发一种功能性快速纹理创建(FUR-TEC)技术，该技术将能够在任何部位的地形上集成设计的头发直径、长度、密度、梯度截面和补丁设计。(d-f)用这种方法打印的头发的例子。最小的头发直径100 μm可以成功打印。零件宽度(d)和(e)为5mm， (f)为15mm。(d)和(e)为毛细管自组装前和自组装后的硬热固性毛，展示了它们的自组装。

我的实验室探索了高精度的基于光的3D打印，如数字光合成(DLS)从Carbon 3D或类似的连续过程数字照明制造(cDLM)来自Etec(以前的EnvisionTEC)。这些技术的主要特点，使高纵横比的头发打印是固化的材料层不断添加远离空气-液体树脂界面，没有任何“滑块”。这与Formlabs打印机中使用的普通立体平版印刷相比是有利的，后者在每一层后使用滑块。我们利用DLS和cDLM技术制备了高纵横比、高密度的毛，取得了很好的效果。我们已经超过了100的纵横比，材料有足够的弹性，因此+/- 90°可以实现。除了直接打印，还可以使用3D打印模具从弹性体材料生产~10长宽比毛发，因此可以大角度弯曲而不会失效。最后，人们可以想象使用特殊的化学物质直接从表面毛孔中挤出头发，模仿自然头发的生长。

力学:

毛发的力学也是阻碍毛发作为工程材料使用的一个同样重要的挑战。工程师在确定性的、控制良好的结构中工作。传统上，工程材料和结构必须精确建模，其行为完全可预测，保真度高。这就需要扩展尺度上的同构行为，并允许使用粗粒度模型。毛发和皮毛是这种确定性行为的反义词:它们是高度异质的，对环境刺激有机械反应，在扩展区域上没有空间单调行为。然而，大自然由于其巨大的优势而非常有效地利用了这种复杂的材料，因此这可能是当代科学家和工程师的下一个工程挑战。

根据上一节中毛发和毛发阵列的定义，在对毛发进行数学建模时出现了一些力学问题。首先，我们将单个头发的行为归类为大变形、强非线性结构，当它是由简单的线性弹性材料产生时。在这种情况下，弹性理论(由Bernouilli提出，后来由Euler研究)可以用来描述非拉伸弯曲行为。勒夫的论文建立在基尔霍夫动力学类比的基础上，非常有洞察力，应该在研究生课程中教授这一主题。当然，如果材料是弹性体，并且考虑到拉伸/压缩和扭转，毛发的力学行为就会变得更加复杂。在这种情况下，使用例如Cosserat棒的数值方法是非常有效的。“弹力“我的同事Mattia Gazzola教授开发的软件工具使这一领域的许多数值高效发展成为可能。此外，由于它们的颗粒状相互作用，除了颗粒状的拥挤和致密效应外，还包括同时的摩擦、滑动、纠缠和大变形，毛发阵列呈现出另一个层次的复杂性。力链方法通常用于(球形)颗粒材料还没有充分发展到皮毛和毛发阵列。

图3。动态弹性毛细管的多形毛发自组装库。每一列表示最近发现的一类转换，可以在我们的文章中找到(第三列仍未发表)。

与液体的相互作用对头发来说是一个重要的环境效应，这既是挑战，也是机遇。由于毛发的细而纤细的结构，它们会在液体的毛细力作用下显著变形。半月板下方产生的负压和由于头发变形而产生的恢复力之间的平衡决定了最终的形状。在他们开创性的一页纸里信在Nature杂志中，Jose Bico等人研究了湿发因毛细管力而合并，并定义了弹性毛细管长度。当毛发长度达到弹性毛细管长度时，其顺应性允许其变形并环绕液滴以最小化总能量(弯曲应变能和表面能)。当头发远长于弹性毛细管长度时，它很容易在毛细管力下变形，形成各种类型的分层束。

我们发现了非常有趣的结构-液体相互作用，产生在密集的毛发阵列，特别是在动态液体流动状态(不可忽略的液体速度)。首先，我们的工作表明，由于纤维结合和致密的颗粒状效应，束重新组织并改变了它们的横截面形状。推导了控制连续光纤接触和致密化的简单非线性刚度关系(F ~ d^2)。我们使用这一定律来预测实验中观察到的不寻常的束形状变形:由于毛细管力，多边形毛发阵列致密成尖尖的星形。中空的圆形束保持中空(没有横截面变化)，但具有更薄、锥形和致密的壁。此外，我们的实验表明，由于液体粘度和纤维致密化之间的相互作用，排水速率(流动动力学)导致多态模式。其中一些新效果如图所示，并在物理APS。我们的文章(多边形1而且多边形2，扭，空心包)推导出简单的模型，捕捉这些转换的主要元素，包括由于致密化而具有非线性刚度的弹性毛细管，以及产生各种形状的液柱的扩散限制液体流动。这项工作让人想起水獭在游泳时在皮毛上形成的毛发帐篷结构，它可以调节体温，并可能减少阻力。

头发模拟软件是一个非常活跃的发展领域的计算机模拟和动画。一些有趣的视频和文章可以在这里找到Youtube(Pixar),YouTube(哥伦比亚)审查，埃坦Grinspun谷歌学者。

可靠性、脱落和毛发生长:

头发和皮毛作为多功能工程材料的最后一个考虑因素是可靠性。由于其极长的长宽比，头发力学导致频繁的故障，切割和脱落。人类和动物会不断地脱发，但新头发也会不断地生长，以取代失去的头发。因此，大自然把头发作为一种动态的、不断生长和进化的材料。这是一个关键的考虑因素:如果头发被用于工程结构和机器人上，它很可能会不断断裂，而仿生生长机制可能是最有效的。要在工程结构上生长毛发，它必须是活性材料系统的一部分，该系统能够向外挤压细长的材料。这可以通过表皮孔隙来完成，也可能是用于树脂泵送的亚表面微流体网络。此外，这种生长过程必须通过一个表明需要生长更多头发的传感过程来激活。这样的系统在生物学中是有效的，并且具有极高的能量、功率和质量效率。因此，在工程结构中使用多功能毛发必须以原位感知和再生毛发的能力为支撑。

简介:

综上所述，毛发和皮毛是极好的生物材料，无疑可以为工程系统提供非凡的多功能。这篇博客指出了实现这一愿景的三个主要研究领域:制造、机械和可靠性的进步。每个领域都突破了当前知识的极限，但可以肯定的是，这种实现的成果是值得的。