3D打印技術為自然界蜘蛛網的仿生制備帶來新突破。傳統方法制備的仿生蜘蛛絲多為單橢球狀，且橢球形狀與大小難以精確控制。而3D打印技術憑借其優勢，對蜘蛛絲及紡錘體重新優化設計，成功設計出十種紡錘體形狀的蜘蛛網，并優化紡錘體連接絲曲率，加速霧氣在蜘蛛絲上的凝結、運輸、匯聚與滴落，有效提升集水效率。以下從多方面展開分析：

蜘蛛網結構優化與集水性能提升

網面與霧流角度影響

固定霧流導管噴出方向，調整蜘蛛網面與霧流方向夾角。當夾角為90°時，50分鐘集水量比0°時提升120%，后續集水實驗均采用此角度。此時，蜘蛛網上每個紡錘體捕集霧氣效率最高。

紡錘體組合與形狀優化

改變紡錘體周期內組合方式，設計“單橢球”“雙橢球”“多尺寸橢球”三種。因三相接觸線（TCL）在粗糙帶紡錘體蜘蛛絲上不連續產生滯后效應，“多尺寸橢球”紡錘體TCL更長，凝結水滴體積大，集水量更多。帶有尖頂的紡錘體拉普拉斯壓差和擴散通量更大，霧氣更易在尖頂凝結成小水滴。進一步思考紡錘體形狀，將其兩邊做成“斜邊”“內凹”“外凸”組合，實驗發現“半凸半凹弧”紡錘體蜘蛛網120分鐘集水量達6.25g，比“單橢球”提升6.5倍。

連接絲曲率處理

考慮蜘蛛絲中間小液滴運輸受限，對相鄰紡錘體間連接絲做曲率變化處理，大紡錘體處連接絲截面直徑大于小紡錘體處。優化后蜘蛛網集水效率提升65%。

表面親/疏水性影響

對蜘蛛網表面進行親水與疏水處理對比，親水表面集水性能更優，效率比疏水表面提升58%。疏水表面小液珠接觸角大，TCL短，運輸易滴落；親水表面使小液滴粘附形成水膜，加快運輸速度，提升集水量。

納米布沙漠甲蟲仿生研究

甲蟲集水背景與現狀

納米布沙漠干旱，淡水匱乏，霧氣是重要淡水來源。當地居民用人工霧布收集淡水，但起霧時間僅30天左右，收集時間有限。納米布沙漠暗甲蟲種類多，部分利用霧氣攝取水分，如“Oymacis unguularis”和“O.bicolor”通過身體表面收集霧水。捕集霧氣在極端干旱地區取水優勢明顯，捕集霧氣甲蟲在雨量少時仍大量存在，而缺乏適應能力的甲蟲數量下降。仿生甲蟲背研究熱門，但多集中在親/疏水區域劃分和涂層研究，對特殊集水結構研究較少。

甲蟲背脊梁結構優化

針對納米布沙漠甲蟲背部特殊結構及優異霧氣捕集能力，運用3D打印技術優化設計甲蟲背部“脊梁狀”結構，使其更規則、密集。設計“半圓”“矩形”“三角”形狀的背部脊梁凸起及凹槽結構。實驗顯示，“三角”形狀效果有所提升，但提升不明顯，故對甲蟲背部表面結構處理。選取等離子體處理、PVA表面接枝、制備PVA凝膠甲蟲背三種親水處理方法，結果顯示制備的PVA水凝膠甲蟲背集水性能比等離子體處理表面提升八倍。

脊梁形狀與集水性能

選取“脊梁狀凸起”優化，用3D打印技術構筑規整結構，設計六種形狀。相同形狀下，保證脊梁截面形狀尺寸和相鄰脊梁水平距離一致，發揮結構集水優勢。“三角”狀脊梁凸起甲蟲背120分鐘集水量最多，達2.64g，較矩形提升33%，較半圓提升11%，因其尖端曲率大，擴散通量大，霧氣易凝結，水滴匯聚運輸快。但整體提升不明顯，因未經處理樹脂甲蟲背親水性不足，水滴運輸效率低，需進一步親水處理。

親水處理方法與集水效果

3D打印樹脂甲蟲背進行親水改性，等離子體處理接上親水基團，表面涂覆親水PVA。集水實驗表明，兩種方法處理后集水量均提升，“三角”狀脊梁凸起甲蟲背集水量好于其他形狀，且提升比例更大。表面涂覆親水PVA的“三角”脊梁凸起甲蟲背120分鐘集水量達5.53g，比等離子體處理提升69%。但表面親水基團和結構會隨時間衰減，親水性下降。故采用親水材料PVA水凝膠制備甲蟲背，選擇三種脊梁凸起形狀，“三角”狀120分鐘集水量達16，較未經處理提升八倍，比“矩形”狀提升94%，重復實驗集水量都在16g以上。三角形結構捕集霧氣水質量高于圓形和矩形，因其尖端曲率大，拉普拉斯壓力大。接觸角測試也證實表面親水性提升的重要影響。

3D打印技術對納米布沙漠甲蟲進行仿生制備，選擇優化“脊梁”凸起形狀甲蟲背，因其有效捕集霧氣且凹槽利于水滴匯聚運輸，集水效率更高。這些研究為制備高效集水設備提供重要參考。

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