3D打印技術(shù)對“脊梁”形狀進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)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(chǔ)上，對甲蟲背表面結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)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(shè)計(jì)三種不同形狀“脊梁”凸起時(shí)，同時(shí)設(shè)計(jì)了與之相同形狀、間距、條數(shù)的溝槽進(jìn)行集水實(shí)驗(yàn)。結(jié)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(yùn)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(jié)，縮短匯聚時(shí)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(shè)計(jì)了“半圓”“矩形”“三角”三種“脊梁”凸起形狀，且脊梁更密集。實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)；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(jìn)行親水處理。實(shí)驗(yàn)顯示，PVA水凝膠甲蟲背集水效果遠(yuǎn)高于其他兩種，120 min集水量達(dá)16.65 g，比未經(jīng)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(tuán)或分子結(jié)構(gòu)會隨時(shí)間衰減，親水性下降，而PVA水凝膠材質(zhì)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(yīng)用更具優(yōu)勢。

基于生物結(jié)構(gòu)的集水優(yōu)化研究

基于自然界蜘蛛網(wǎng)和納米布沙漠甲蟲等生物特殊結(jié)構(gòu)，采用3D打印技術(shù)重新設(shè)計(jì)優(yōu)化集水結(jié)構(gòu)，進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)改性，提升集水效率。利用數(shù)值模擬分析不同結(jié)構(gòu)在潮濕環(huán)境下表面凝結(jié)液態(tài)水濃度差異，比較多種紡錘體結(jié)構(gòu)組合變化及表面性能對仿生蜘蛛網(wǎng)集水性能的影響，探究結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在相同時(shí)間內(nèi)潮濕環(huán)境下的凝結(jié)液態(tài)水濃度，“半凸半凹弧”紡錘體蜘蛛絲凝結(jié)液態(tài)水濃度最高，達(dá)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(kuò)散通量的影響，發(fā)現(xiàn)三角形狀頂端擴(kuò)散更明顯，揭示霧氣更易在“三角”脊梁凸起甲蟲背上凝結(jié)。

重新設(shè)計(jì)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(shí)的霧流方向、蜘蛛網(wǎng)表面結(jié)構(gòu)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(wǎng)經(jīng)等離子體親水處理后，霧流方向與蜘蛛網(wǎng)面夾角為90°時(shí)集水效率最高，120 min集水達(dá)6.25 g，比未經(jīng)處理的“單橢球”紡錘體蜘蛛網(wǎng)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(jié)構(gòu)上的小水滴都會受力運(yùn)輸，且紡錘體不對稱性導(dǎo)致水滴自發(fā)移動，加快了水滴匯聚滴落時(shí)間，集水效率大大提升。

最優(yōu)甲蟲背結(jié)構(gòu)探究

設(shè)計(jì)六種甲蟲背部結(jié)構(gòu)，探究甲蟲背部凹/凸結(jié)構(gòu)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(jìn)行親水處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)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(dá)16.65 g，較未經(jīng)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(shí)結(jié)構(gòu)上的集水優(yōu)勢被放大，凸面結(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)用上提供了制備更簡單便宜、集水效率更高的設(shè)備思路。

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