3D打印優勢顯著，它可依據軟件設計結構進行1:1完全復制打印，無論是結構的長度、弧度、角度，在毫米微米級尺寸都能精準把握細節。尤其在紡錘體形狀上，傳統制備仿生蜘蛛絲方法難以企及。目前人工仿生蜘蛛絲紡錘體，只能通過調整參數制備橢球形狀，無法制備其他形狀。傳統方法如浸漬法和靜電紡絲法，只能制成絲狀，而3D打印技術不僅能設計不同紡錘體形狀，還能設計整張仿生蜘蛛網，推動其工程應用邁向新臺階，實現理論與實驗全新結合。

仿生蜘蛛網的設計

本研究采用三維設計軟件Solidworks進行設計。它是世界上首個基于Windows開發的三維CAD系統，功能強大、組件繁多，有功能強大、易學易用和技術創新三大特點，是領先主流的三維CAD解決方案。它能提供不同方案、減少設計錯誤、提高產品質量，且操作簡單方便。

從蜘蛛絲紡錘體組合、形狀、周期及相鄰紡錘體連接絲曲率優化四個方面全新設計蜘蛛網。充分利用拉普拉斯壓力方程和表面能梯度方程，使霧氣在紡錘體快速凝聚成小液滴，紡錘體形狀設計和連接絲曲率優化助力小液滴快速運輸匯聚成大液滴，縮短凝聚匯聚時間，保證懸掛液滴體積最大化，提升集水效率。

考慮到自然界蜘蛛網類似對稱結構，設計蜘蛛網整體框架為對稱正八邊形。每段蜘蛛絲橫截面為圓形，大紡錘體一側連接處截面半徑0.25mm，另一側0.13mm，大紡錘體尖頂處截面最大半徑0.54mm，小紡錘體尖頂處0.27mm。

3D打印仿生蜘蛛網的制備

SolidWorks設計結構后，將文件轉成STL格式導入3D打印機（DLP）二次處理。采用405nm LED光源（強度20mW/cm2），調整XY像素分辨率20μm，曝光時間每層2s，經中壓汞燈（強度30mW/cm2）固化成型。取出樣品，放入200mL無水乙醇燒杯浸泡10min，用細毛刷拭去表面未固化光敏樹脂，樣品制備完成。

等離子體親水處理

用氮氣吹掃3D打印仿生蜘蛛網表面灰塵，將其水平放置在鋁合金支撐板，送入等離子體清洗機腔體，在70W功率下清洗150s后取出。

表面疏水化處理

用低表面能氟硅烷對3D打印仿生蜘蛛網表面改性，與親水處理對比。將打印樣品與裝有10μL全氟癸基三乙氧基硅烷的杯子放入玻璃容器（145mm×70mm），用鋁箔密封杯口，放入120°C烘箱加熱2h，斷開電源自然冷卻至室溫后取出樣品。

仿生蜘蛛網集水效果表征

將3D打印仿生蜘蛛網掛在自制支架固定器，加濕器管噴口垂直距蜘蛛網5cm，濕度儀放蜘蛛網邊觀察濕度，控制濕度在85% - 90%之間。正下方放盛水皿，每30min稱重（減去空培養質量），記錄4次，集水過程持續120min。

基于蜘蛛絲集水原理，優化紡錘體形狀和關節曲率。霧氣在關節和紡錘體冷凝成微小液滴，因曲率變化產生拉普拉斯壓差，尖頂曲率變化明顯，周期性紡錘體多尺寸排列使最大懸掛液滴三相接觸線（TCL）更長。關節和大紡錘體表面微小液滴向大紡錘體法向移動凝結成大液滴，小紡錘體表面和連接處微小液滴向小紡錘體法向移動凝結成小液滴。小液滴向大液滴匯聚，最終形成更大液滴滴落。

測試集水性能時，霧氣來自自制導管將加濕器霧氣固定方向噴出。霧流方向與仿生蜘蛛網放置夾角影響集水量。將出霧口導管水平放置，使霧流平行地面，蜘蛛網與地面呈90°、45°、0°三種角度測試。結果顯示，“單橢球”紡錘體仿生蜘蛛網，霧流與蜘蛛網面呈90°夾角時集水量最多，45°次之，0°最少。霧流方向與蜘蛛網面垂直時，紡錘體捕集霧氣效率最高。

采用相同形狀橢球紡錘體，按“單橢球”“雙橢球”“大小大多尺寸”紡錘體三種組合周期，探究不同組合對集水性能影響。蜘蛛絲捕集霧氣能力與紡錘體和關節組合能懸掛的最大液滴體積有關，液滴懸掛時三相接觸線（TCL）影響懸掛液滴大小。從集水量看，多尺寸紡錘體＞雙橢球紡錘體＞單橢球紡錘體，多尺寸紡錘體效率提高近一倍。因其TCL長度大于其余兩種，連續TCL使液體平滑擴散移動，多尺寸橢球紡錘體由大小紡錘體組合，TCL可延續到三個紡錘體，懸掛體積更大，集水效率最優。自然界蜘蛛絲紡錘體為橢球狀，傳統制備仿生蜘蛛絲紡錘體形狀也是橢球狀。

上一篇：3D打印仿生蜘蛛網紡錘體設計與集水性能研究
下一篇：材料、能源、信息世界文明的重要支柱與超構材料的崛起