弹性流体动力学润滑模型及流体食物在舌纹聚二甲基硅胶（PDMS）弹性体表面上的润滑机制

《Food Research International》：Elastohydrodynamic lubrication model and mechanism of fluid food on tongue-textured PDMS elastomer surfaces

　　

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  建立考虑舌面纹理和基底粘弹性的EHL（Elastic-Hydrodynamic）模型。
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  阐明了流体膜厚度、压力和流场特性。
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  这项研究有助于更全面和深入地理解食物的口腔质地。

引言

随着生活条件的逐渐改善，公众对食物风味和口感特性的要求变得越来越严格（Putignano & Dini, 2017; W. Xu et al., 2022）。预测食物质地主要有两种方法：流变学和摩擦学（Holt & Mills, 2023; Krop et al., 2019）。流变学的研究主要关注流体本身的性质（Mistry et al., 2023），而摩擦学则涵盖了包括流体和摩擦对在内的整个系统。与流变学相比，摩擦对的性质也对食物的口腔质地有显著影响（Qian et al., 2024; Shewan et al., 2025）。Selway等人研究了蛋奶酱、酸奶和浓奶油，发现尽管这三种食物系统的流变行为相似，但它们的摩擦学特性各不相同（Selway & Stokes, 2013）。柠檬-青柠饮料和可乐饮料的粘度相似，流变行为也相近，但观察到了明显的摩擦学差异，其中柠檬-青柠饮料的摩擦系数明显低于可乐（Steinbach et al., 2014）。这些观察结果进一步证实，仅凭整体流变参数无法完全预测界面润滑性能。当表面纹理和基底机械性质不同时，相同粘度的生物聚合物和脂质系统也会表现出不同的摩擦行为（Schochat et al., 2024; Tecuanhuey et al., 2024）。这些发现凸显了摩擦学和流变学之间的本质区别。此外，摩擦对的特性，包括表面拓扑结构、几何形态、材料性质和粘弹性，对食物口腔质地的感官感知至关重要。

目前，在大多数关于食物摩擦学的实验研究中，通常使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）来制造摩擦对（Bongaerts et al., 2007; Sarkar et al., 2021; Q. Wang et al., 2026; L.-J. Xu et al., 2025）。Xi等人研究了在潮湿生理条件下具有纹理的PDMS基底的摩擦学特性，并考虑了实际口腔摩擦过程中发生的变形（Xi et al., 2020）。Rudge等人对水凝胶材料进行了一系列体外摩擦测试，重点研究了表面拓扑结构、粗糙度与界面润滑性能之间的关系（Rudge et al., 2020）。他们的发现进一步验证了表面微地形在界面润滑行为中的关键作用。然而，大多数现有的摩擦学研究忽略了舌表面乳突对摩擦系数的影响。因此，在准确再现真实的口腔润滑环境方面仍存在明显差距。人类舌头具有多种表面乳突结构，包括丝状乳突和菌状乳突，这些微观特征显著影响口腔中的界面润滑行为和食物质地感知（Andablo-Reyes et al., 2020; Andreeva et al., 2023; Huang et al., 2025; Mo et al., 2019; X. Wang et al., 2019）。

此外，数值模拟方法将经典摩擦润滑理论与流变学原理相结合，能够构建流体润滑模型并可视化模拟的界面行为（Ahmed & Biancofiore, 2021; Pattnayak & Arghir, 2024; Rosales-Romero et al., 2024）。在传统机械摩擦学中，已经对混合润滑和纹理接触进行了广泛的研究。相关研究为线接触混合润滑构建了分形表面重建模型，并研究了齿轮传动系统的润滑剂依赖性磨损演变（Zhao, Sheng, et al., 2022a; Zhao, Sheng, et al., 2022b）。Van Emden尝试使用数值方法预测弹性流体动力学（EHL）条件下的润滑剂响应（Emden et al., 2017）。一些学者通过微分法建立了二维口腔润滑平面模型，以研究流体流动的流量和压力分布（Mahmood et al., 2017; Shaw et al., 2016）。最近的数值进展进一步探索了涉及纹理化柔顺基底的软EHL模拟（Zhang et al., 2024）。然而，现有数值框架很少同时结合舌表面乳突微观纹理和基底粘弹性，缺乏对由纹理化软接触对引起的竞争流动效应的定量分析。

因此，本研究建立了一个符合舌表面形态特征的有限元模型，同时考虑了表面乳突特性和基底平面结构。与传统实验测量仅输出摩擦系数的方法不同，该数值模型能够定量观察体外难以测量的界面流动细节。阐明了流体速度、乳突密度、摩擦对的粘弹性以及流体流变特性对流体流动特性的影响。计算了液体-弹性体界面处的压力和润滑膜厚度。这项研究为现有食物润滑学研究中基于摩擦系数的 empirical 评估提供了有价值的补充，有助于更全面和深入地理解食物的口腔质地。

章节摘录

流体

纯蜂蜜被称为100% SHS。根据测试数据（表1），建立了纯蜂蜜的流变学模型。100% SHS是一种牛顿流体，其定义使用幂律方程。η=kΥ?n?1

其中η是粘度，k是稠度指数。k值是粘度大小的指标，与粘度成正比。$\stackrel{?}{\gamma }$是剪切率。n是幂律指数，也称为流动行为指数。当n为1或接近1时，此方程

丝状/菌状乳突对流体压力分布的影响

应当注意的是，本模拟中观察到的基本EHL规律在传统机械摩擦学中已被很好地确立。然而，这项工作的新颖之处在于将软纹理EHL数值分析应用于食物口腔摩擦学。大多数现有的口腔摩擦实验仅测量宏观摩擦系数，无法定量解析舌-食物接触界面下的内部压力和膜演变情况。本模型结合了真实的舌头特性

结论

本文建立了一个基于弹性体的EHL模型，用于研究舌表面纹理润滑。有限元模拟研究了舌表面拓扑、基底粘弹性和流体流变学如何影响流体压力、膜厚度和流动特性，旨在解决与纹理基底相关的EHL问题。这项工作揭示了舌表面纹理摩擦对的润滑机制，并为探讨口腔食物中的多参数耦合效应提供了理论支持。

CRediT作者贡献声明

钟敏：写作 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。龙伟国：写作 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、数据管理。张子璐：写作 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、方法论、研究、正式分析。

未引用参考文献

Ajeeb, Polajnar 和 Kalin, 2026

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号51965039）和江西省轻合金重点实验室（2024SSY05031）的支持。

钟敏|龙伟国|张子璐|孙冠宇|徐文虎