海参触手启发的水下颗粒粘附：解锁海洋应用新可能

本文聚焦于海参触手的水下颗粒粘附机制研究。通过探索其独特结构（如分层触手微结构）与粘液的协同作用，开发出仿生粘附装置（SCIAD）。该研究为解决水下颗粒操作难题提供新思路，有望应用于海洋资源开采、污染治理等领域。

　　

引言

在海洋研究和开发中，有效操控水下颗粒至关重要，像海洋矿产勘探、海洋固体废弃物污染防治以及海底生态调查等活动，都依赖于先进的水下颗粒操控技术。然而，颗粒在水中的复杂流变特性带来了巨大挑战。在静止时，颗粒遵循 Mohr - Coulomb 准则处于准静态，但受外力作用时，会表现出类似流体的行为，且在水下，浮力和水的润滑作用会削弱颗粒间的接触力，降低其稳定性 。

传统的水下颗粒收集方法存在明显缺陷。例如，抓取法虽能精确操作，但效率较低；打捞法虽能大量收集，但无法区分目标颗粒，还可能对海洋生态系统造成破坏。因此，从自然界寻找灵感成为解决这些问题的新方向。

许多海洋生物在水下具有独特的粘附机制。比如，贻贝和藤壶利用基于生物大分子的化学粘附，分泌的物质能与表面形成化学键和氢键，但形成粘附垫耗时较长。章鱼和鮣鱼依靠物理粘附，通过吸盘或粘性盘附着，但在粗糙或多孔表面难以维持真空。海胆和鲍鱼则结合粘液和吸力进行粘附，不过这种方式较为复杂且耗能。

海参作为一种栖息在海底沉积物中的棘皮动物，为水下颗粒粘附研究提供了新的视角。它依靠 20 条分层的盾形触手和覆盖在触手上的粘液，以海底沉积物颗粒上的有机碎屑和微生物为食，每天能摄取至少 3/4 体重的食物。然而，其触手结构和粘液协同作用的具体机制尚未完全明晰。本研究旨在通过综合行为观察、形态分析和机械建模，揭示海参水下粘附的奥秘，并开发仿生装置，为水下粘附难题提供解决方案。

结果

1. 海参的进食壮举：海参触手的运动周期包括伸展、粘附和收缩三个阶段，一个完整周期约 35.8 秒，每次约 10 条触手参与进食，每条触手每次可收集约 66 颗颗粒。研究分析了 930 颗珊瑚砂颗粒，其平均等效直径为 0.54 毫米，大多数颗粒直径在 0.35 - 0.7 毫米之间。据此计算，海参每小时可消耗约 33 克食物，约占其体重的 18.8%，假设每天活跃进食 4 小时，其每天可摄取至少 75.2% 体重的食物。与其他典型的底栖和滤食性动物相比，海参的日摄食率更高，这可能与其触手结构和粘液表面有关。
2. 海参触手的形态：海参触手具有树状结构，由触手茎（ts）和多级触手分支组成，分支末端形成乳头状或结节状的终端结构。在卤素灯照射下，触手茎呈暗红色，粘附表面呈橙黄色。光学显微镜下可见约 450 个均匀分布、直径约 100μm 的乳头，扫描电子显微镜（SEM）下，其表面因紧密排列的乳头而呈菜花状，且能观察到粘附的微颗粒。进一步测量发现，触手分层结构的直径dh随分层级别h（h = 1, 2, …, 6）减小，可用公式dh=1.7060×0.6197h（mm）描述，这种分层结构有助于形成有效的粘附表面。
3. 水下粘附机制：在水中，颗粒的受力和运动与在空气中显著不同。在空气中，颗粒在重力mg作用下自由下落，加速度为g；在水中，颗粒受重力和浮力Fb作用缓慢下沉，加速度为a=g?Fb/m。若存在与水不混溶的液体，颗粒还会受到液 - 液界面产生的毛细管力Fc，其计算公式为Fc=γdsinθsinφ=γdsin(θ+φ)sinφ≤γdcos2(θ/2) ，当φ=(θ?φ)/2时，毛细管力达到最大值。

为实现高效水下颗粒粘附，还需考虑粘液（如硅油）与固体底物之间的稳定粘附，这可以用粘附功来描述。根据 Dupré 方程，粘附功Wad=γsw+γwo?γso=γwo(1+cosθso) ，其中γsw、γwo和γso分别表示固体表面 - 水、水 - 硅油和固体表面 - 硅油界面的界面张力，θso为水下固体 - 硅油界面的表观接触角。粘附功越大，硅油滴与固体表面的粘附越强。
4. 仿生纹理表面实验：研究人员采用投影微立体光刻（PμSL）技术制备了仿生纹理表面，表面的微柱直径为d ，间距和高度分别用d进行无量纲化处理。实验中，用移液管将预定体积的硅油滴在表面，然后使表面与水下约 0.5 毫米直径的玻璃颗粒粘附。

通过测量硅油滴与固体底物（纹理和光滑表面）之间的水下接触角，量化了硅油滴与不同表面之间的粘附功。实验结果表明，硅油滴与纹理表面的水下接触角明显小于光滑表面，且微柱直径越小，接触角越小。当微柱直径为 100μm 时，水下接触角约为 5°，粘附功比光滑表面大 11%。这意味着硅油滴与较小微柱直径的纹理表面结合更紧密，不易脱离。

研究人员还验证了在给定初始液滴体积的情况下，粘附功较高的纹理表面能有效减少颗粒粘附和卸载过程中的液滴体积损失，从而保持较大的液滴表面积以捕获更多颗粒。实验结果显示，微柱直径为 100μm 的纹理表面在五个周期后仍能粘附约 60% 的初始颗粒，表现明显优于其他纹理表面和光滑表面。
5. 可行性和应用：为验证水下颗粒粘附方法的可行性，研究人员开发了一种受海参启发的采样箱。该采样箱的工作过程分为伸出、粘附和缩回三个阶段。通过与传统水下颗粒收集方法（抓取和打捞）对比实验发现，抓取法操作精确但收集量少，打捞法收集量大但分拣困难，而仿生粘附方法在操作精度和收集能力上取得了较好的平衡。

然而，上述采样箱无法在水下连续操作和粘附，因为硅油需在水上涂抹。为解决这一问题，研究人员设计了一种能通过蠕动泵持续供应硅油的粘附装置（SCIAD）。该装置底部有微通孔用于硅油渗出，内部有梯度孔隙结构便于硅油填充。实验表明，SCIAD 具有出色且稳定的连续粘附能力，每个周期可粘附约 2.4 颗颗粒 /mm2 ，能可靠地粘附各种性质、尺寸和形状的颗粒材料。此外，SCIAD 还能实现可控脱离，通过持续供应硅油，使油滴增大、颈缩并脱离装置，形成包裹颗粒的液滴，便于工具操作，为水下颗粒收集和功能材料制备提供了新途径。

讨论

本研究通过对海参进食行为的研究，揭示了其在进食过程中沙子粘附的机制，并受此启发设计了仿生纹理表面进行水下颗粒操作实验。结果表明，表面微结构显著提高了粘附效率，在此基础上开发的持续供油装置实现了连续、大量、精确和稳定的水下颗粒粘附，优于传统方法。

该研究成果在需要复杂水下颗粒操作的行业具有广阔的应用前景，如水下采矿、微塑料收集、生态监测和地质采样等。例如，传统海底多金属结核开采技术可能会破坏海洋生态系统，而本研究的方法有望实现更精确的开采，减少对环境的影响；在微塑料污染治理方面，该方法也可为高效收集微塑料提供解决方案。

未来，随着理论模型的进一步完善、卸载机制的优化以及粘附液体的改进（如使用可生物降解的替代品），这种方法将更有效地解决海洋环境中的实际问题，推动可持续水下粘附技术的发展。

方法

1. 海参养殖：海参（Holothuria leucospilota）购自中国广州的水族馆市场，饲养在中国深圳中山大学的玻璃缸中。缸内装有 3% 盐度的咸水，底部铺有约 20 毫米的天然珊瑚砂，水温保持在 24°C 左右，并通过安装交叉流泵、蛋白质分离器和过滤器维持水质稳定。
2. 沉积物表面的进食行为观察：使用配备微距镜头的佳能 EOS 90D 相机，以 25 帧 / 秒的速度记录海参的进食行为，并用 Adobe Premiere Pro 处理视频。
3. 玻璃表面的触手观察：将海参放入由铝框架支撑的玻璃水族箱中，用卤素灯从下方照明，通过相机从侧面拍摄海参触手在玻璃表面的粘附行为。
4. 麻醉和采样：制备 10% w/w 的氯化镁溶液，将海参转移到装有 1 升海水的玻璃烧杯中，待其伸出触手后，缓慢加入氯化镁溶液使其麻醉，然后用手术剪刀剪下完整的触手，采样后将海参放回水族箱。
5. SEM 观察：将海参触手样本浸泡在 2.5% w/w 的戊二醛溶液中固定 8 小时，然后用 0.1 mol/L 的磷酸盐缓冲盐水（PBS）冲洗三次，每次 20 分钟。接着用一系列乙醇溶液（30%、50%、70% 和 90% v/v）脱水，每个浓度处理 15 分钟，再用无水乙醇处理两次，每次 15 分钟。之后用乙醇和异戊酸乙酯（1:1 v/v）混合液处理 30 分钟，再用纯异戊酸乙酯处理 1 小时。冷冻干燥后，用导电胶带将样本固定在铝制短棒上，用离子溅射镀膜机溅射铂颗粒形成导电涂层，最后用 SEM（Quanta 400F，FEI，美国）观察。
6. 仿生纹理表面的制备：首先构建多个仿生纹理表面的 3D 模型，然后预处理将其分割成层厚为 20μm 的灰度图像，最后使用 3D 打印机（microArch S240D，BMF，中国）通过 PμSL 技术依次读取灰度图像，制备仿生纹理表面。实验中，微柱直径分别为 100、400 和 1000μm，归一化间距和归一化高度分别设置为 0.25 和 1，同时制备光滑表面作为对照。在可行性和应用部分，制备的纹理表面微柱直径为 100μm，微通孔直径为 200μm。
7. 水下粘附实验的拍摄：实验时，以 2mm/s 的速度将升降台缓慢下降，使纹理表面浸入水中，确保涂有硅油的一面完全接触底部直径约 0.5mm 的玻璃颗粒，然后以相同速度控制升降台缩回。在玻璃缸下方放置 45° 反射镜，以便相机从侧面拍摄粘附在纹理表面的玻璃颗粒图像。

资源可用性

1. 主要联系人：如需进一步信息或资源请求，可联系主要联系人 Jianing Wu（[e-mail]）。
2. 材料可用性：本研究未产生新的独特材料。
3. 数据和代码可用性：支持本研究结果的所有数据均在文章和补充信息中。本文未报告原始代码，如需重新分析数据的进一步信息，可向主要联系人合理索取。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFB3213600）、国家自然科学基金（T2422031、52275298 和 52405329）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515010854 和 2023A1515111194）以及广东省 “攀登计划” 专项资金（pdjh2024a004）的支持。

作者贡献

Y.W. 构思了本研究；J.W. 和 S.Y. 对研究进行了监督；Y.W. 和 J.Z. 准备了样本；Y.W.、Q.W. 和 Z.H. 构建了模型；Y.W.、Q.W.、J.Z.、J.C. 和 J.D. 进行了实验；Y.W.、Q.W. 和 J.Z. 分析了数据；Y.W.、Q.W. 和 J.W. 撰写了论文。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。