耦合机械自适应接触状态与界面相互作用，对实现动态接触过程中良好的摩擦/润滑性能起着重要作用。然而，这些系统通常依赖于反应层表面分子状态或水化程度的变化，而忽略了可调接触状态对摩擦的贡献。长吻鲶鱼皮肤分泌的粘液是一种高度水合的生物大分子，为其提供了光滑的表面中国机械网okmao.com。当感知到外部刺激时，鱼皮随着身体内部红白肌肉的收缩和层叠，实现了适应性的模量变换。尽管表面粘液降低了界面摩擦系数(COF)，但皮肤模量的自适应和可切换增强可以减少接触面积和机械变形，从而进一步最小化表面摩擦力，有利于鱼类逃离危险情况或适应外部环境。
图1：受鱼类即时肌肉硬化机制启发的MALH
受鲶鱼皮肤瞬时肌肉硬化机制启发，兰州化学物理研究所周峰、麻拴红团队提出了一种基于模量切换的界面摩擦力控制策略，报告了一种模量自适应润滑水凝胶（MALH）。水凝胶由顶部粘液状亲水润滑层和底部肌肉状水凝胶组成，加热后，它在水中从软/高摩擦状态（~0.3 MPa，μ~0.37）瞬间切换到硬/润滑状态（~120 MPa，μ~0.027）。这种可切换润滑对大范围的正常负载有效，并归因于模量主导的自适应接触机制。设计了热触发的可切换润滑弹以及一种模数自适应可切换润滑装置（MASLD），用于实现可控界面运动。这些重要结果显示了在智能运动装置和软机器人领域的潜在应用。该研究以题为“Modulus adaptive lubricating prototype inspired by instant muscle hardening mechanism of catfish skin”发表在最新一期的《Nature Communications》上。
【MALH的概念与构建】
首先通过紫外聚合法制备了P(AAc-co-HEMA-Br)水凝胶，在醋酸钙(CaAc)溶液中进行后处理后，形成温度响应相分离的P(AAc-CaAc-co-HEMA-Br)水凝胶。然后将相分离水凝胶浸入含单体3-磺丙基甲基丙烯酸钾(SPMA)的反应溶液中，进行原子转移自由基聚合(ATRP)生成表面润滑层，得到了P(AAc-CaAc-coHEMA-Br-PSPMA)水凝胶(MALH)。高温下凝胶网络中的疏水残基脱水形成疏水区域，使MALH经历了从软凝胶到硬塑料的快速相变过程，导致了其模量的变化。因此，MALH与挣扎的鱼类似，可以通过热刺激下相分离引起的模量变化来操纵界面接触状态和COF，从而实现鱼一样的可切换润滑效果。
图2：MALH的制备和模量转换机制
【MALH的可切换机械性能】
由于疏水相互作用和离子相互作用的协同作用，MALH可以在1秒内从软、透明的低模量状态（T =20°C）立即切换到刚性、不透明的高模量状态（T=80°C）。低温下柔软，应变大，断裂强度小；高温下刚性，应变小，断裂强度高，且机械性能可调。刚性状态下，MALH可固定成特定形状，以承受重载（200 g重量）而不变形。与传统的热响应水凝胶 (PNIPAAm)不同，相分离前后体积比变化很大(<0.1)，MALH可以保持材料的几何形状，在相分离前后的体积变化率均高于0.9。最后，循环测试实验（从20°C切换到80°C）表明基于相分离的MALH的可切换机械性能是稳定和可逆的。
图3：MALH的可切换机械性能表征
【MALH的响应润滑】
MALH在刚态和软态之间的可切换特性实现了响应润滑性能。表面复合润滑层的厚度和微观结构会影响界面摩擦性能，与P(AAc-CaAc-co-HEMA-Br)水凝胶相比，MALH的表面表现出规则的皱纹图案，具有明显的间隙。横截面表征表明，润滑层完美地结合在相分离水凝胶的亚表面上，厚度随着PSPMA接枝时间的延长而增加，而在反应30分钟后趋于平稳。采用经典的球盘接触模式和往复滑动试验，研究了MALH在水中的响应润滑。P(AAc-CaAc-co-HEMA-Br)水凝胶在20 °C下表现出高COF（~0.5），在80 °C下表现出低COF（~0.08）。而表面接枝PSPMA作为润滑层后，两种状态下MALH的COF均显着降低。
图4：MALH的响应润滑行为
【MASLD的制备和展示】
将梯度交联的聚二甲基硅氧烷（PDMS）共价键合到MALH的一侧，制备了一种模量自适应可切换润滑装置（MASLD）。将两片MASLD贴片贴在玻璃板的两侧得到MASLD改性玻璃板。在20 °C时，空白玻璃板的摩擦力（~270 mN）比MASLD改性样品（~120 mN）的摩擦力更高且更不稳定；而改性样品在80 °C相分离后表现出较低的摩擦力（~33 mN）。由于摩擦调节范围广，MASLD可用于控制表面物体的爬行。将MASLD贴片贴在45°倾斜玻璃板的表面上，然后在其表面上放置一个坦克。在低温（20°C）下，由于履带与贴片之间的高界面摩擦力，坦克可以爬上倾斜板。将贴片加热到80°C后，由于模量自适应润滑，坦克很难爬上去。
图5：MASLD性能表征
【小结】
综上所述，该研究受长吻鲶鱼瞬时肌肉硬化机制的可切换润滑特性的启发，成功开发了模量自适应润滑水凝胶。基于水凝胶基质的相分离，MALH可以实现从低温下的软、高摩擦状态到高温下的刚性、超润滑状态的可逆状态转变。这种响应性特性对于大范围的正常载荷非常有效。最后，开发了一种模数自适应可切换润滑装置（MASLD）作为便携式贴片，应用于移动设备以控制其运动。这项工作为设计智能润滑系统和软机器人提供了灵感。
