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受納米布沙漠甲蟲背部“脊梁”凸起結構的啟發(fā)，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(yōu)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(jīng)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(fā)的大型高級數(shù)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(shù)控制求解參數(shù)、強大網(wǎng)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(huán)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(huán)境下模擬潮濕表面凝結的液態(tài)水濃度大小。采用二維軸對稱平面坐標系，截取蜘蛛網(wǎng)上一段含有數(shù)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(huán)境，計算某個時間段紡錘體表面凝結的最大液態(tài)水濃度。
考慮到整體蜘蛛網(wǎng)紡錘體基數(shù)大、計算量龐大，為簡化模型，截取含有數(shù)個周期紡錘體的蜘蛛絲作為對象進行理論模擬，環(huán)境屬性上施加氣象站數(shù)據(jù)庫的自然大氣環(huán)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(huán)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(wǎng)格元素），因此需要對模擬對象進行網(wǎng)格劃分。通過試算，發(fā)現(xiàn)三角網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格組合劃分比單一形狀網(wǎng)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(wǎng)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(huán)境的網(wǎng)格劃分為三角形網(wǎng)格，在紡錘體外圍做兩層四邊形網(wǎng)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(huán)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(tài)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(huán)境，探針類型選取“最大值”。
在實際自然環(huán)境下模擬蜘蛛絲紡錘體在潮濕表面凝結的液態(tài)水濃度，時間單位設定為“h”，時間步數(shù)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(shù)，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(huán)境內，大氣環(huán)境參數(shù)根據(jù)氣象數(shù)據(jù)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(huán)境流體流動設置為層流流動，濕空氣與環(huán)境的擴散系數(shù)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(tài)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(huán)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(wǎng)格數(shù)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(wǎng)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(wǎng)格細化，避免網(wǎng)格移動過程中發(fā)生扭曲或反轉。
采用瞬態(tài)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(shù)為默認值1。考慮到模擬中擴散過程發(fā)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(huán)境溫度為1℃的濕空氣環(huán)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(guī)則凸起會使擴散通量兩端疊加，導致較大區(qū)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(huán)境中潮濕蜘蛛絲表面凝結的液態(tài)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(qū)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(yōu)。
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(wǎng)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(fā)，研究人員著手仿生制備，但目前蜘蛛網(wǎng)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(wǎng)實現(xiàn)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(wǎng)，蜘蛛網(wǎng)上的紡錘體結呈周期性規(guī)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(yōu)的紡錘體組合結構。實驗結果表明，人工蜘蛛網(wǎng)展示了非常可觀的集水效率，為解決沙漠地區(qū)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(wǎng)具有堅固的穩(wěn)定性，能夠反復用于集水裝置中。
