典型海洋生物粘附机理的实验及力学建模研究

On one hand, the adhesion of marine organisms can lead to the fouling and corrosion of ships and marine equipments, and affect the growth and quality of the aquatic products; on the other hand, the secreted mucus of the marine organisms is potential for the design of biomimetic adhesives in medical applications. As a result, it is of great scientific and engineering value to further explore the adhesion mechanism of marine organisms. In this project, we aim to understand the adhesion secret of these living creatures, by selecting several typical marine organisms, including abalone, conch, mussel, oyster, and barnacle to perform mechanics analyses. Concretely speaking, we will design new experimental devices to measure the adhesion strength of marine organisms, observe their micro-structures by electro microscopes, and record the deformation in the debonding process by the CCD camera. Then we will adopt the continuum mechanics method, including the energy theory, surface/interface mechanics, dimensional analysis, constitutive theory of materials, etc. to build proper models, and use the numerical software to conduct the computational simulations. The theoretical and numerical results will be compared with the experimental measurement. Finally, we will discuss how these findings can benefit such engineering applications as cleaning marine fouling organisms, designing new biomimetic adhesives, and designing appropriate micro/nano-measuring equipments.

海洋生物的粘附一方面会造成船舰和各种海洋设备的污损和腐蚀、影响养殖水产品的生长发育和品质，另一方面其分泌的粘液可用于研发新型的医用仿生胶粘剂，因而对其粘附机理的深入探讨具有重要的科学意义和工程价值。本项目拟针对几种典型的海洋粘附生物，例如鲍鱼、海螺、贻贝、牡蛎、藤壶等进行全面的定量力学分析，以期深刻认识这些活体的粘附机理。具体研究过程中将设计新型的实验装置测试海洋生物的粘附强度，并通过电镜观察其微观结构，通过CCD相机记录其脱粘附的变形过程。然后采用连续介质力学的方法，包括能量原理、表界面力学、量纲分析、材料本构理论等，建立合理的力学模型进行分析，并且结合数值软件进行计算模拟，以与实验结果进行对比。最后就所得的结果对于清除海洋污损生物，研发新型的仿生胶粘剂，设计合理的微纳米测量装置等工程应用方面进行若干探讨。

海洋生物的粘附一方面会造成船舰和各种海洋设备的污损和腐蚀、影响养殖水产品的生长发育和品质，另一方面其分泌的粘液可用于研发新型的医用仿生胶粘剂，因而对其粘附机理的深入探讨具有重要的科学意义和工程价值。本项目拟针对几种典型的海洋粘附生物以及其扩展出来的相关力学行为进行全面的定量力学分析，以期深刻认识这些活体的粘附机理。本项目研究了鲍鱼等典型海洋生物的粘附力来源、在锋利表面爬行的机理、翻身后能够从地面扶正的过程等问题。研究了水蛭的拉伸、压缩、冲击、粘附、充压等力学行为，指出其优良力学性能的根源在于其环节微结构。通过实验和理论分析，全面揭示了三叶草的种子发射机理，同时探讨了猪笼草的斥水机理。建立模型对弹性结构的粘附和剥离过程进行了力学分析，主要包括可伸长软梁的剥离、表面活性剂调控的弹性薄片的开合、圆形薄板的粘附、内含环向裂纹的空心圆柱的非经典湿热断裂行为等。系统研究了毛细力诱发的相关现象，包括液滴或固体颗粒在液体界面上的运移、Jurin定律的修正、贾敏效应、气泡振动、液滴撞击弹性结构、岩石表面润湿性表征、超临界二氧化碳驱油机理。同时还研究了固体的表面应力相关的纳米梁挠度和内力图、纳米梁准周期自由振动的表面效应。受海洋生物启发，开展了软物质的力学行为研究，包括弹性软弦的大幅度振动、弹性结构屈曲、颗粒筏褶皱、颗粒筏的横向变形、含纳米颗粒的泡沫的稳定性、梁在外界载荷下的大挠度等。通过本项目培养博士生1名、硕士生5名，培养年轻教师1名、培养博士后2名。同时发表论文共计33篇，其中SCI收录29篇，中文期刊4篇；获得国家发明专利授权10项，获批软件著作权6项。