《Chemical Engineering Journal》：From strong to switchable adhesion: Gecko-inspired design strategies and practical applications
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本文系统综述了壁虎仿生干粘附材料从强力粘附向可切换粘附的技术演进，分析了光、热、电、磁及机械刺激与结构设计对切换粘附的影响机制，并探讨了其在可穿戴电子、爬行机器人及精密制造等领域的应用前景与挑战。
沈长林|恒伟民|吴春晓|侯新瑞|范一辰|李雅|韩叶坤|杨启翱|王磊|彭志龙|陈少华
河南医科大学组织工程与再生临床医学中心，新乡，453000，中华人民共和国
摘要
粘附现象在自然界和工程领域中普遍存在。随着柔性电子、软体机器人和智能制造的快速发展，单纯追求强粘附性能已不足以满足多样化的应用需求。因此，能够实现强粘附与轻松脱离快速可逆转换的可切换粘附技术成为研究前沿。受壁虎启发，近年来基于生物仿生的干粘附材料研究取得了稳步进展，涵盖了粘附机制、结构设计、可切换粘附策略及实际应用等方面。在可切换粘附策略方面，主要提出了两种方法：一种依靠光、热、电、磁或机械等外部刺激来可逆调节粘附强度；另一种则利用倾斜或不对称结构设计来实现粘附性能的切换。本文系统回顾了从强粘附到可切换粘附的壁虎仿生粘附材料的发展历程，并探讨了其在可穿戴电子、爬行机器人和精密制造等领域的最新应用。最后，讨论了可切换粘附材料的未来发展方向及其应用中的挑战与机遇。
引言
粘附技术作为一种古老的技术，自史前时代就已开始使用。当时人们使用松树脂、蜂蜡和沥青等天然材料制作粘合剂（如图1所示）。然而，由于这些材料的粘附强度较低且环境耐受性较差，其应用范围较为有限[1]。直到第二次工业革命，基于生物的粘合材料仍主导着粘合剂市场。1907年，德国化学家莱奥·贝克兰（Leo Baekeland）首次合成了酚醛树脂，开启了合成粘合剂的新时代[2]。此后，丙烯酸、聚氨酯和环氧树脂等新型合成粘合剂相继问世，在工业和商业领域取得了显著成功，这得益于它们出色的粘附强度和稳定性[3]、[4]、[5]。到了20世纪80年代，粘合剂研究逐渐趋于稳定，并进入了一个新的发展阶段，重点转向优化和改进现有粘合剂。如今，合成粘合剂在粘接强度、防水性能、耐高温性和抗老化性等方面取得了显著进步，被广泛应用于各个行业。
尽管传统粘合剂在强度和耐久性方面得到了优化，但21世纪出现了新的发展趋势——即可根据需求调节粘附强度的可切换粘合剂。顾名思义，可切换粘合剂能够在强粘附和轻松脱离之间实现可逆转换，既能牢固附着在表面，又能方便分离[6]。为了设计具有可切换粘附特性的功能界面，研究人员从自然界中具有卓越粘附能力的生物体中汲取灵感。例如，壁虎能够轻松攀爬粗糙的墙壁和倒置的天花板[7]、[8]、[9]；树蛙在潮湿的岩石表面表现出出色的粘附能力[10]、[11]、[12]、[13]；海洋动物如章鱼则利用触手捕捉猎物[14]。这些生物的粘附能力源于其体表柔软复杂的微/纳米结构与接触表面之间的相互作用和力，如范德华力、毛细力和真空吸附[15]。受这些生物独特机制的启发，研究人员通过模仿其微/纳米结构开发出了多种功能性粘合表面。需要注意的是，粘附机制通常涉及多种相互作用的协同效应，其表现受材料性质、界面特性和环境条件的影响。因此，解决特定的粘附问题需要综合考虑这些因素并选择最合适的机制来解释和预测性能。
与树蛙和章鱼的湿粘附机制相比，基于范德华力的壁虎干粘附及其功能化合成表面具有明显优势[16]、[17]、[18]、[19]。首先，干粘附机制不依赖化学粘合剂或液体介质，因此在粘附和脱离过程中不会在接触表面留下残留物，非常适合需要表面清洁的应用。其次，干粘附表面通常具有快速的粘附和脱离能力，适用于需要快速响应的场景，如攀爬或移动。最后，干粘附功能表面通常具有较高的重复使用性。总之，深入研究壁虎的干粘附机制及其仿生结构对于推动相关领域的工业和学术发展至关重要。
自2000年Autumn在《自然》杂志首次揭示壁虎粘附的范德华力机制以来，这一领域受到了广泛关注和深入研究[9]。过去25年里，关于壁虎粘附的论文数量显著增加（见图2）。左侧坐标轴显示了使用“Gecko AND (Adhesion OR Adhesive)”主题从Web of Science检索到的每五年发表的论文数量。通过添加“Switchable OR Reversible OR Programmable OR Tunable”等筛选条件，可以得到与可切换粘附相关的论文数量，该数量对应于右侧坐标轴。如图2所示，可切换粘附相关研究的比例逐年增加，尤其是在过去五年（2020-2024年），其论文数量占比已超过壁虎粘附相关论文的20%，表明这是一个快速发展的研究领域。
受壁虎启发的可切换粘合剂在生物医学工程、爬行机器人、抓取系统和微纳制造等多个领域展现出巨大潜力。在生物医学领域，可切换粘合剂可用作界面粘合剂，便于穿戴设备的附着和移除，同时减少对组织的刺激[20]、[21]、[22]、[23]；在爬行机器人中，这些粘合剂有助于在垂直表面上快速移动[24]、[25]、[26]、[27]；在软体抓取系统中，机器臂的可切换粘附功能可确保精确操作物体[28]、[29]、[30]；当缩小到微米级别时，可控的粘附能力还能实现小芯片的精确转移[31]。总之，受壁虎界面粘附机制的启发，设计适用于各种应用的干粘附结构、材料或设备具有重要的实际价值。
由于可切换粘附技术的快速发展和广泛应用，单篇综述难以全面涵盖所有方面。因此，本文旨在系统梳理干粘附技术的发展历程，重点关注过去25年中壁虎仿生粘合剂从强粘附向可切换粘附的转变过程。具体安排如下：第2节详细阐述了干粘附材料强粘附设计背后的原理，重点分析了接触分离机制和末端结构的特点；第3节总结了实现可切换粘附特性的现有策略和方法，包括热场、光场、电场、磁场、机械载荷和不对称结构设计；第4节讨论了仿生干粘附在可穿戴医疗设备、爬行机器人和软抓取器等领域的实际应用；第5节进行了总结，并提出了未来发展方向。
节选内容
用于强干粘附的纤维结构设计
自Autumn在《自然》杂志首次揭示壁虎足部的粘附机制以来，基于分子间力的干粘附效应引起了全球科研团队的广泛关注[9]。研究内容包括如何制造模仿壁虎足部的层次化纤维结构，如何理解纤维结构对界面粘附性能的提升作用，以及如何进一步提高纤维结构的粘附强度等。
干粘附的可切换性
过去几十年里，研究人员开发了多种仿生粘合表面，以模拟自然界生物的卓越粘附能力。理论和实验研究表明，蘑菇形状的微结构因其出色的粘附力学性能而被视为仿生微结构设计的理想方案之一[36]、[66]、[67]、[68]。尽管在提升界面粘附性能方面取得了显著进展
生物启发式干粘附的应用
成功制备出仿生粘合功能表面后，研究人员致力于将其应用于工业生产，以解决工程表面上的粘附问题并提高制造效率。干粘附材料因其优异的重复使用性、无残留特性以及在极端条件下的稳定粘附能力而受到广泛关注。近年来，受壁虎启发的层次化干粘附材料
结论与展望
智能可切换粘合材料正在推动下一代功能性粘合技术的发展，在爬行机器人、可穿戴电子和精密制造等领域展现出巨大潜力。通过外部刺激（如热、光、电场、磁场或机械载荷）或特定结构设计，智能粘合材料可以主动调节界面粘附：在粘合状态下提供强粘附，在释放状态下实现快速脱离
CRediT作者贡献声明
沈长林：撰写初稿、数据整理、概念构思。恒伟民：撰写初稿、数据整理。吴春晓：撰写初稿、形式分析。侯新瑞：数据整理。范一辰：数据整理。李雅：数据整理。韩叶坤：形式分析、数据整理。杨启翱：撰写与编辑、数据整理、概念构思。王磊：撰写与编辑、数据整理、概念构思。彭志龙：撰写与编辑、撰写初稿、数据整理
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢国家自然科学基金（项目编号12272042、12032004、12293000）的支持。
