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受納米布沙漠甲蟲背部“脊梁”凸起結構的啟發，研究設計了六種不同形狀的甲蟲背結構。研究人員探究背部凹/凸結構以及脊梁截面形狀對集水性能的影響。基于沙漠甲蟲背表面的親疏水性能，采用等離子體處理、表層涂覆親水PVA以及通過復制甲蟲背模板制備PVA水凝膠甲蟲背等三種方法進行親水處理，進一步提升集水效率，最終綜合研究得出最優集水結構。
非洲西海岸納米布沙漠中的兩種沙漠甲蟲，在干旱時期存活率遠高于其他蟲類。它們背部獨特的凸起結構能捕集大西洋東海岸吹來的霧氣，且經過長時間進化形成了主動集水動作。甲蟲背凸起呈親水性用于霧氣收集，其他地方呈疏水性用于水滴運輸。基于此，研究關注結構形狀、表面能、表面親/疏水性等因素對集水過程的影響。通過設計不同形狀的蜘蛛絲紡錘體、相鄰紡錘體間連接絲曲率以及甲蟲背上脊梁凸起截面形狀，模擬擴散通量差異帶來的集水效率差異，為實驗制備與表征提供理論基礎。
COMSOL Multiphysics是一款由瑞典COMSOL公司開發的大型高級數值仿真軟件，廣泛應用于科學研究和工程計算，被稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”。它具有直接求解方程組解決多場問題、在圖形界面自由定義方程、任意獨立函數控制求解參數、強大網格劃分能力、第三方CAD軟件直接導入功能以及豐富后處理能力等特點。
主要考慮紡錘體形狀對集水性能的影響，包含固體蜘蛛絲（固相域）和有限特定大氣環境（氣相域），采用COMSOL中的傳熱模塊和化學物質傳遞模塊。傳熱模塊結合固體流體傳熱和層流接口進行“非等溫流動”多物理場耦合，計算固相域和氣相域之間的換熱過程；化學物質傳遞模塊采用“空氣中的水分輸送”，結合固體和流體傳熱與水分輸送接口進行“熱濕”多物理場耦合，以及層流與水分輸送接口的結合進行“水分流動”多物理場耦合，用于計算濕空氣中的相對濕度場和模擬水分輸送。
模擬不同形狀紡錘體的蜘蛛絲，包括“單橢球”“雙橢球”等多種形狀，在特定大氣環境下模擬潮濕表面凝結的液態水濃度大小。采用二維軸對稱平面坐標系，截取蜘蛛網上一段含有數個周期紡錘體組合的蜘蛛絲進行模擬計算，利用蜘蛛絲截面的一半通過二維軸對稱形成3D模型。給定蜘蛛絲外圍特定矩形大氣環境，計算某個時間段紡錘體表面凝結的最大液態水濃度。
考慮到整體蜘蛛網紡錘體基數大、計算量龐大，為簡化模型，截取含有數個周期紡錘體的蜘蛛絲作為對象進行理論模擬，環境屬性上施加氣象站數據庫的自然大氣環境。設定繪制蜘蛛絲時的放置方向為Z軸方向，考慮重力影響，開放邊界的自然大氣環境呈圓柱形。
COMSOL基于有限元方程計算完成模擬，有限元基于幾何離散化為小單元（網格元素），因此需要對模擬對象進行網格劃分。通過試算，發現三角網格和四邊形網格組合劃分比單一形狀網格更易適應邊界條件、解更易收斂，于是對整個求解域采用自由剖分非結構化三角形網格和四邊形組合劃分。對于紡錘體內部以及含有邊界自然大氣環境的網格劃分為三角形網格，在紡錘體外圍做兩層四邊形網格劃分，以提升計算效率。
在模擬過程中，定義“相對濕度”和“濕度飽和指示器”兩個探針，用于觀察實際自然大氣環境下模擬時每個時間步長的相對濕度最大值以及濕度飽和指示，以便找到最佳液態水凝結時間。兩個探針源選擇除蜘蛛絲以外的開放邊界的“濕空氣”環境，探針類型選取“最大值”。
在實際自然環境下模擬蜘蛛絲紡錘體在潮濕表面凝結的液態水濃度，時間單位設定為“h”，時間步數設定為“0.5 h”，共十小時，容差設置選取“用戶控制”，設定為“0.0005”。在求解器設置中，對時間步長進一步調整，最大步長約束選擇常數，最大步長設為0.25 h。將蜘蛛絲模型假設在有開放邊界的自然大氣環境內，大氣環境參數根據氣象數據改變，模擬地點定位“南京祿口”，模擬時間為凌晨0點至早上10點，選取濕空氣作為水蒸氣。將設計的蜘蛛絲結構置于具有外部邊界條件的矩形內，矩形邊界設置為開放邊界，外界環境流體流動設置為層流流動，濕空氣與環境的擴散系數設定為2.6×10-5 m2/s。
納米布沙漠甲蟲背部凸起的形狀，設計“半圓”“矩形”以及“三角形”三種不同形狀的脊梁凸起的甲蟲背。采用稀物質瞬態輸運模型模擬水蒸氣在半圓形、矩形和三角形特征附近的擴散通量大小，所有模擬采用二維平面坐標系，考慮氣相域的熱傳遞和大氣環境中的水分擴散過程，模型利用要研究的橫截面幾何形狀建立。
甲蟲背為立體三維圖形，3D對象模擬所需網格數量多、計算量大，且模擬主要探究背部結構對集水性能的影響，因此選取甲蟲背的橫截面幾何形狀，在二維平面內進行幾何建模。考慮到空氣中的自然對流對蒸汽擴散的影響，在蒸汽擴散方程中考慮對流項，且空氣流動被認為是不可壓縮的。用非結構化三角形網格自由剖分整個計算域，對相界面和截面形狀頂端曲率變化處進行網格細化，避免網格移動過程中發生扭曲或反轉。
采用瞬態求解器對問題進行全耦合求解，利用非線性求解器采用牛頓阻尼法，阻尼系數為默認值1。考慮到模擬中擴散過程發生很快，初始時間步長設為0.01 s，時間步長的變化由收斂速度決定，但最大時間步長不超過10 s，所需求解的變量的容差設為物理場控制。
從截面脊梁凸起形狀為半圓形、矩形和三角形的三種甲蟲背截面形狀在相對濕度為90%、環境溫度為1℃的濕空氣環境中的水汽擴散通量的分布云圖可以看出，三角狀脊梁凸起的甲蟲背上端擴散通量更明顯，可達7×10-5 mol/(m2s)，半圓形為6×10-5 mol/(m2s)，矩形為4.5×10-5mol/(m2s)。主要是因為三角形狀頂部曲率變化更大，霧氣更易在頂端凝結成水滴，甲蟲背上密集的規則凸起會使擴散通量兩端疊加，導致較大區域的高擴散通量，提升集水效率。因此，在設計甲蟲背部脊梁形狀時，應選取尖端曲率更小的形狀，如“三角”狀脊梁凸起。
物理場仿真模擬軟件COMSOL對蜘蛛絲以及甲蟲背進行仿真模擬計算，通過設計十種不同蜘蛛絲上紡錘體形狀，模擬在給定自然大氣環境中潮濕蜘蛛絲表面凝結的液態水濃度大小，探究紡錘體的形狀及周期組合對蜘蛛絲集水性能的影響。結果顯示，相比一些形狀的紡錘體，“半平半凹弧”“雙凹弧”“半凸半凹弧”形狀紡錘體使霧流低速區域明顯增加，凹弧設計加大了風阻，提升了蜘蛛絲的集水性能。對于甲蟲背，脊梁凸起的截面形狀是集水的主要因素，三角形狀的擴散通量最優。
淡水資源短缺問題日益顯著，霧作為一種天然淡水資源，難以捕捉和利用。自然界中蜘蛛網等生物具有收集和運輸潮濕空氣中水分的有趣結構。受此啟發，研究人員著手仿生制備，但目前蜘蛛網的制備方法較少，限制了其在工程上的實際應用。本研究通過3D打印技術構筑仿生蜘蛛網實現高效濕空氣收集，采用3D打印技術打印出微米級的仿生蜘蛛網，蜘蛛網上的紡錘體結呈周期性規律排列。設計的紡錘結為兩個相鄰的為一組，具有更大的水珠懸掛能力和更高的集水效率。設計了十種紡錘體組合結構，從四個方向上對比不同結構對霧氣捕集的影響，得出最優的紡錘體組合結構。實驗結果表明，人工蜘蛛網展示了非常可觀的集水效率，為解決沙漠地區淡水資源缺乏提供了一定的參考價值，且3D打印仿生蜘蛛網具有堅固的穩定性，能夠反復用于集水裝置中。
