受盲鳗防御机制启发的可部署纤维设计原理：从生物灵感走向工程实现

本综述系统阐述了受盲鳗（hagfish）防御性黏液启发的可部署纤维材料的设计原理，聚焦于纤维的紧密卷曲（coiling）、弹性储能（non-equilibrium state）、流体介导展开（fluid-mediated deployment）及软网络构建（soft fibrous network）四大核心功能需求。文章突破了传统生物材料复刻的局限，提出了基于物理机制（而非生化模拟）的通用设计框架（design principles），并首次通过嵌入式3D打印（3DPX）成功制备出可实现流体触发展开的人工纤维卷（synthetic skeins），为开发新型超软（G′ ～ 0.02 Pa）、超稀释（体积膨胀达104倍）的仿生水凝胶材料提供了关键理论与技术支撑。

　　

1 引言

自然界中，盲鳗通过其独特的防御机制——分泌黏液来抵御捕食者，这种黏液在接触海水后迅速膨胀，形成一种纤维状、柔软、超稀释且能捕获水分的网络结构，体积可膨胀至原来的10,000倍。黏液的核心组成包括腺体螺纹细胞（GTC）产生的高强度蛋白质纤维（直径d_f = 1–3 μm），这些纤维被精心卷曲成线团状结构（线圈直径D_o ～ 150 μm），在部署时迅速解开，展现出隐藏的长度（L_f = 15 cm），并通过与黏蛋白囊泡和海水的相互作用形成黏附性纤维黏液网络。目前，尚无工程材料能够复制这种纤维展开机制，该机制赋予了黏液独特的力学性能。

本文从应用力学角度出发，研究如何实现这些功能需求，建立了数学缩放关系、近似解析模型和设计原则，并首次成功制备了可部署的人工纤维卷。盲鳗线团是由蛋白质到中间纤维（～10 nm）再到线团纤维（1–3 μm）分层组装的，本文关注的是纤维级别的特性，独立于材料化学组成。通过整合固体力学、流体力学、流变学和软物质物理学的原理，文章展示了如何利用现有材料和制造工艺实现可比的功能性能。

2 紧密弹性包装与展开原理

盲鳗黏液包含数千条中间纤维（d_f ≈ 1–3 μm），包装成～150 μm的线团，展开后长度达～15 cm。工程类似材料需要将纤维卷曲成线团并在部署时展开，以达到目标隐藏长度。关键参数是隐藏长度比λ，定义为未卷曲与卷曲尺寸的比率：λ = L/D_o。最大隐藏长度比λ_max = L_f/D_o对应于纤维完全拉直的情况。另一个重要参数是特征尺寸比D_o/d_f，它比较了线圈直径D_o与纤维直径d_f。

通过分析圆柱形线圈拓扑结构，文章推导出λ_max与D_o/d_f和填充空隙比2?_min/D_o的关系。更紧密的卷曲（较小的?_min）允许更紧凑的D_o/d_f，但会增加展开时的应变需求。最大应变|ε|_max与纤维直径和最小曲率半径相关，需低于材料的断裂应变极限ε_break以确保完全展开而不断裂。

对于复杂拓扑结构，如受自然线团启发的螺旋结构，文章通过核密度估计（KDE）分析曲率分布，揭示了更高λ值需要更紧密的包装和更小的纤维直径。应变需求与纤维直径和隐藏长度比密切相关，较小的纤维直径降低应变需求但增加制造难度，而较大的纤维直径简化制造但需要更高断裂应变极限的材料。

3 非平衡状态下保持弹性能量的原理

弹性恢复力对于可部署纤维网络至关重要，因为纤维固有地寻求返回其平衡配置。合成线团可以设计为具有未卷曲的静止状态（策略I），其中存储的弹性能量驱动展开并维持扩展配置；或卷曲的静止状态（策略II），其中纤维保持卷曲直到流动引发展开，需要外部约束来维持非平衡扩展配置。

两种策略都涉及将弹性纤维维持在非平衡状态，例如通过粘合剂/封装剂/屈服应力流体实现，其中周围材料的屈服强度是提供约束力的关键指标。设计空间涉及关键权衡：较大的d_f简化制造但可能需要极高的屈服强度σ_ys来保持非平衡条件，而较小的d_f虽然更难制造，但更容易用较低的σ_ys维持非平衡状态。

文章通过分析建模，推导出所需屈服强度σ_ys与纤维直径d_f、模量E_f和曲率半径?的关系。实验验证使用Carbopol微凝胶作为模型屈服应力流体，证实了理论预测，显示较大直径和较硬纤维需要更高屈服强度来维持卷曲状态。

4 流体介导的卷曲弹性纤维展开原理

盲鳗线团的展开由粘性阻力驱动，必须克服纤维的剥离阻力。剥离数? = F_D/F_P决定了展开的开始和速度。当?较大时，展开迅速，接近运动学极限，局部流动直接带动纤维。

在非牛顿环境（如屈服应力流体）中，展开要求施加的流动应力首先超过周围介质的屈服应力以允许变形，然后超过纤维弯曲阻力以启动解卷。这设定了最小所需流动强度，由流体的屈服应力和纤维的弹性弯曲刚度控制。

文章通过实验设置，使用流变仪研究合成线团的展开标准。弹性-塑性（EP）数定义为EP = σL⁴/(E_fI)，用于量化展开行为。结果表明，即使具有较高的E_f或d_f，只要施加的流体应力超过临界阈值，合成线团也能成功展开。

展开时间尺度取决于纤维特性、流体特性和流动条件。拉伸流动比剪切流动更有效于快速展开，纤维弹性可以通过高周围粘度来容忍。文章通过 bead-spring 模型预测了展开时间，提供了理解设计权衡的实用框架。

5 软网络的原理与要求

盲鳗黏液网络极其柔软，能够贴合周围环境，这对于堵塞捕食者鳃的功能至关重要。其极端可变形性允许它适应复杂环境，增强防御效果。文章通过分析模型，探讨了实现类似行为的软网络所需的连续级材料特性。

使用超弹性模型（neo-Hookean和Mooney-Rivlin）和线性Hookean模型，文章计算了在重力或压缩力作用下变形所需弹性模量。结果显示，较大变形需要较软的材料，超弹性模型在较大变形时表现出应变硬化行为，导致所需模量急剧下降。

在纤维网络级别，文章基于结构-属性关系模型，推导出网络剪切模量G与纤维密度n、纤维直径d_f、纤维模量E_f和剩余松弛度h/l的关系。网络模量与纤维弯曲刚度成正比，G ∝ E_fd_f⁴。通过反推模型，文章提供了选择纤维特性以满足目标网络软度的设计指南。

6 讨论

为指导材料选择和合成线团制造，文章整合了对纤维模量E_f、直径d_f和断裂应变ε_break的所有功能需求。其中，展开应变需求对E_f和d_f最为限制，特别是在目标极端隐藏长度比时。

使用公开材料属性数据，文章创建了候选线程材料数据库，并通过Ashby图展示了这些材料及其属性。该图作为基于设计需求选择线程材料的工具，同时确保与所需长度尺度的制造技术兼容。生物模仿区域突出显示了与天然盲鳗线程一样柔软或坚韧的材料，而生物灵感区域涵盖了更硬、扩展性较低的材料，这些材料可能不完全匹配天然属性，但仍可满足可部署性和软网络形成的功能需求。

文章通过生物启发设计原则，使用新型嵌入式3D打印技术制备了首批可部署的人工线团。这些合成线团具有可控的包装几何形状和变化的隐藏长度比，即使具有相对较大的包装直径和比自然界大近10倍的纤维直径，也证明了合成线团可以实现卷曲-展开转换的功能需求。流动部署测试进一步证实了流体介导展开的可行性，纤维在展开过程中没有断裂。

7 结论

文章建立了用于创建首批可部署人工线团的设计原则，以工程化受盲鳗黏液启发的快速可部署软材料。薄而软的仿生纤维满足所有功能需求，但文章表明广泛的生物启发设计是可能的，即大型硬纤维也可以实现这些所需功能需求，使得制造能够利用当前和最近开发的技术实现。

设计权衡存在于可用材料之间，平衡线程性能与制造约束，最终指导线程制造的材料选择。关键参数包括纤维直径（d_f）、包装直径（D_o）、隐藏长度比（λ）、纤维弹性（E_f）、卷曲状态下的最小曲率半径（?_min）、纤维总长度（L_f）和断裂应变极限（ε_break）。针对所需隐藏长度比（如λ = 1000），需要选择适当的拓扑结构，以设置必要的D_o/d_f比率和应变（ε_max），更高包装密度降低D_o/d_f，使得对于给定d_f能够实现更紧凑的线团。

文章结果证实了使用屈服应力流体（σ_ys）来维持可制造纤维直径（d_f）在非平衡配置（?_min）中的可行性。值得注意的是，较大的d_f（从制造角度有利）仍然可行，当与较高?结合时，前提是适当选择屈服强度。

流体介导展开可以发生在具有高弯曲刚度的纤维中，只要流动强度足够，展开通过较低纤维刚度和较高流体粘度加速。为形成软纤维网络，目标网络连续剪切模量（G）指导所需E_fd_f⁴、网络密度（n）和剩余松弛度（h/l）的选择。这些标准共同提供了为特定功能需求定制合成线团的全面设计框架。