传统胶黏剂的黏附强度受材料性能及使用环境等因素的影响，且传统胶黏剂不可重复使用。如何设计强黏附且可重复使用的黏附表面是微机械系统、微电子封装等先进领域关注的关键科学问题。
壁虎通过强黏附与弱脱黏交替实现鲁棒性的爬行行为为该解决问题提供了创新灵感，并已成功制备仿壁虎黏附系统的多种微结构阵列表面。已有研究主要关注了微结构阵列材料及几何参数对表面黏附性能的影响。实验发现：相比于光滑平表面，相同表观面积微结构阵列表面的等效黏附强度反而较小，显然违背了通过微结构设计增强表面黏附的目的，有必要开展仿生微结构阵列表面黏附机理及其影响因素的基础理论研究。
近期，我院陈少华教授和彭志龙教授团队针对上述问题，建立了仿生微柱阵列表面与刚性光滑平基底的黏附接触力学模型（图1a），发展了一种微柱阵列界面黏附力传递规律的计算方法，定量表征了等位移加载条件下表面微柱和背衬层的变形，结合黏附界面的位移协同条件和单微柱脱黏准则，得到了微柱阵列表面典型的力-位移曲线（图1b）及每根微柱的受载情况（图1c）。最终发现：影响微柱阵列表面等效黏附强度的主要原因是界面脱黏时较低的微柱利用率，外缘微柱首先发生脱黏，界面整体脱黏仅依赖少量微柱的黏附作用。
进一步定义了阵列表面的微柱利用率，系统研究并发现了微柱利用率的主要影响因素：微柱长细比、微柱间距、背衬层与微柱的模量比，给出了三个主要参数影响的微柱利用率相图（图2）；可分别调控三个参数获得不同的微柱阵列表面设计，相比于表观面积相同的光滑平表面，此类微柱阵列表面具有更高的黏附力（图3）。
该工作揭示了微柱阵列表面的黏附机理，分析了影响微柱阵列表面等效黏附强度的主要因素，为强黏附阵列表面的优化设计提供了理论基础。
上述成果以“A Theoretical Model of Enhanced Adhesion of Bioinspired Micropillar Arrayed Surfaces”为题，发表在固体力学领域顶级期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids (2024), 186, 105592。（文章链接: http://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105592）
图1 (a) 微柱阵列表面与刚性光滑平基底的黏附接触力学模型；(b) 微柱阵列表面的力-位移曲线；(c) 微柱受载随位移载荷的变化云图（灰色区域表示脱黏的微柱）。
图2不同物理参数对界面脱黏时微柱利用率的影响：(a) 微柱长细比h/a；(b) 背衬层与微柱的杨氏模量比Eb /Ep；(c) 相邻微柱间距d/a； (d) 微柱利用率相图。
图3 不同物理参数对微柱阵列表面与光滑平表面黏附力比值的影响：(a) 微柱长细比h/a；(b) 背衬层与微柱的杨氏模量比Eb /Ep；(c) 相邻微柱间距d/a；(d) 微柱阵列表面与光滑平表面黏附力比值的相图。
