智能表面工程.pdf

doi:10.11933/1007-9289.20231009001Feb.2024CHINASURFAENGINEERING2024年2 月Vol.37No.1国面中表程第37 卷第1期智能表面工程葛世荣1,2（1中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院北京100083;2.煤矿智能化与机器人创新应用应急管理部重点实验室北京100083)摘要：表面工程自其诞生以来，经历了从传统表面工程向复合表面工程、纳米表面工程及表面工程自动化的发展，正在信息技术、生物技术、纳米科技等前沿领域中萌生。随着智能时代的来临，智能表面工程应运而生。智能表面工程是对摩擦表面赋予智能调控性能，使之具有自感知、自适应、自愈合能力，从而实现摩擦学行为的智能控制。介绍皮肤自感知、关节自感知、消化道自适应和表皮自愈合等人体表面智能性，触屏自感知表面、损伤自感知表面、摩擦自感知表面和触压自感知表面等自感知表面创新，自适应表面变色、自适应调光涂层、自适应疏水涂层、自清洁除尘表面、自适应隐身表面、自硬化耐磨表面和自减摩超滑表面等自适应表面创新，植物自愈合、自愈合聚合物膜、自愈合导电皮肤、自愈合离子皮肤、自修复防腐涂层、自愈合蛋白质体、自愈合关节软骨和自愈合磨损划痕等自愈合表面创新。以往的表面工程是对材料表面强化以提高其物理、化学、力学性能的技术和方法，而智能表面工程则是赋予材料表面自润滑、自抗磨、自耐蚀、自修复等功能的智能表面技术和方法。未来的智能装备离不开摩擦智能，摩擦智能必须有智能表面。智能表面制造须要深入研究仿生科学与表面工程技术交叉融合，因此在摩擦学、仿生学、低碳学等领域尚有许多需要探索的关键理论和技术问题，一旦取得突破，将促进智能表面工程领域的显著进步。可以预见，摩擦智能表面工程将支撑智能装备制造技术的发展，创造出更快、更强、更稳的机械系统；仿生智能表面工程将使机器人更智能地实现对自身运动的感觉、对空间的感知和对外部刺激的反应；低碳智能表面工程将降低摩擦系统能耗、减少建筑领域碳排放，从而使摩擦学及表面工程研究与人类命运共同体紧密结合在一起。关键词：智能表面工程；自感知；自适应；自愈合；智能控制中图分类号：TG156；T B114Intelligent Surface EngineeringGE Shirong1,2(1.School of Mechanical Electronic&Information Engineering,China University of Mining andTechnology-Beijing,Beijing 100083,China;2.Key Laboratory of Intelligent Mining and Robotics,Ministry of Emergency Management,Beijing 100083,China)Abstract:Since it was first reported,surface engineering has evolved from traditional surface engineering to composite surfaceengineering,nano-surface engineering,and surface engineering automation,and is now finding applications in frontier fields likeinformation technology,biotechnology,and nano-technology.The advent of the intelligent era gave rise to intelligent surfaceengineering,which is aimed at endowing surfaces with intelligent control capabilities,allowing them to be self-sensing,self-adaptive,and self-healing,thereby achieving smart control over tribological behaviors.In this paper,the surface intelligence of the human body收稿日期：2 0 2 3-10-0 9；修改日期：2 0 2 3-10-12：接受日期：2 0 2 3-10-2 6；上线日期：2 0 2 3-12-15。Received October 9,2023;Revised October 12,2023;Accepted in revised form October 26,2023;Available online December 15,2023.引用格式：葛世荣智能表面工程J.中国表面工程，2 0 2 4，37(1)：1-17.Citation format:GE Shirong.Intelligent surface engineeringJ.China Surface Engineering,2024,37(1):1-17.面中2024年表国程is introduced,including skin self-perception,joint self-perception,digestive tract self-adaptation,and epidermis self-healing.Innovations in self-sensing surfaces,such as touch screen self-sensing surfaces,damage self-sensing surfaces,friction self-sensingsurfaces,and touch pressure self-sensing surfaces,are presented.Introductions to self-adaptive surface innovations are provided,which include self-adaptive surface discoloration,self-adaptive dimming coatings,self-adaptive hydrophobic coatings,self-cleaningdust removal surfaces,self-adaptive stealth surfaces,self-hardening wear-resistant surfaces,and self-friction reducing superlubricitysurfaces.Self-healing surface innovations,such as plant self-healing,self-healing polymer films,self-healing conductive skins,self-healing ionic skins,self-healing anticorrosive coatings,self-healing proteomes,self-healing articular cartilages,and self-healingwear scratches,are discussed.The intersection and integration of bionic science and surface engineering technology should bethoroughly examined in intelligent surface manufacturing.In tribology,bionics,and low carbon science,many key theoretical andtechnical problems are yet to be explored.A breakthrough,when achieved,is expected to promote the significant advancement ofintelligent surface engineering.It is anticipated that friction intelligent surface engineering will underpin the progress of intelligentequipment manufacturing technology and pave the way for a faster,stronger,and more stable mechanical system.Through bionicintelligent surface engineering,robots are expected to gain a more intelligent sense of their own movement,spatial perception,andresponsiveness to external stimuli.Low-carbon intelligent surface engineering is predicted to decrease the energy consumption of thefriction system and carbon emissions in the construction sector,thus intertwining tribology and surface engineering research with theresponsibility of the community of shared future for mankind.Keywords:intelligent surface engineering;self-sensing;self-adaptive;self-healing;intelligent control0前言摩擦发生在表面，表面常伴着摩擦，摩擦与表面是一对共生的关联体，与之相关的摩擦学与表面工程也是如此。摩擦学是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称，它是研究在摩擦与磨损过程中相对运动的表面之间相互作用、变化及其有关理论与实践的一门学科 。摩擦学的英文TRIBOLOGY来自于希腊语TRIBO（摩擦）和OLOGY（形态、逻辑）的组合，由此理解，摩擦学是一门有关摩擦形态及逻辑的学问，其内涵包括三个方面：摩擦的表面形态，包括润滑、磨损、振动、噪声等；摩擦的演绎逻辑，即摩擦的演变规律，探索摩擦演绎的逻辑是什么，如摩擦学第一定律、摩擦学第二定律、Archard定律等；摩擦的控制方法，即如何调控摩擦，表面工程研究的是从材料组织结构和表面形态来调控摩擦性能。归纳而言，摩擦学是研究运动表面摩擦形态、演绎规律及控制方法的一门学科，不仅涉及运动表面摩擦、磨损与润滑行为，更重要的是研究摩擦控制方法。当前的摩擦控制尚未达到智能层次，须要创新研究实现表面摩擦智能控制。表面工程是表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需表面性能的系统工程2 。自其诞生以来，表面工程已由传统表面工程向复合表面工程、纳米表面工程及表面工程自动化发展；表面工程从对应磨损与腐蚀向抵抗疲劳与蠕变拓展，正在信息技术、生物技术、纳米科技等前沿领域中萌生3。随着智能时代的来临，智能表面工程应运而生。智能表面工程是对摩擦表面赋予智能调控性能，使之具有自感知、自适应、自愈合能力，从而实现摩擦学行为的智能控制。例如，自然界的含羞草具有智能调控能力，当我们触碰含羞草时，含羞草的叶片会合起来。研究发现，含羞草叶子根部有一个叶枕结构，它在触摸电信号作用时会失水，等电信号消失，水又回流叶枕，叶枕中的水分变化会导致叶子开合，可见植物存在表面自感知、自调控性能。再如常见的触摸屏，也是手指和电子屏之间的表面触摸智能感知与控制。1人体表面智能性1.1皮肤自感知皮肤是人的最大感知器官，触觉具有最为敏感、精细的感知功能。触觉是皮肤自感知的反应，是人的第五本体感官。触觉系统包含三部分：触觉感受器、第1期葛世荣：智能表面工程触觉传输链、触觉处理器。当手触摸到物体时，皮肤从感受器开始，经过传输链直至大脑反应出触摸物的质感。皮肤自感知是一个相当智能的感知系统，实际上是智能表面，而且是一个有生命的表面工程。生物医学研究表明：皮肤感知是通过细胞对机械力“感知”而转化实现的。例如，听觉振动力、触觉挤压力、肺的扩张力和血管壁的血流压力都是细胞的机械力感知（图1）。细胞对机械力的感知通常由离子通道、细胞膜受体以及细胞内信号传导通路共同实现。Piezol和Piezo2两个基因是编码哺乳动物机械力控阳离子通道的必要组成成分，它们属于一类很保守的机械力控阳离子通道，在触觉、痛觉、呼吸、本体感受和血管发育等多种生理过程中发挥作用4。Neural morphologyPressureNeural progenitorcellKeratinocytesNeuronNeuralPiezo2Merkel cellsSubstratedifferentiationSubstratestiffnessroughnessNeuron-astrocyteSynapseinteractionAstrocytePiezolLTMRafferentApical roughnessShearstressActionpotentialPiezo2Vascularstructurearterial remodelingDRGneuronCardiovascularEndothelial celldevelopmentalignmentVolumeregulationin redbloodcellsPiezolOsmotic pressureCompressionCalcified boneArtiqdlarPiezol,Proximal convoluted tubecartikagePiez02OsmoticpressureShearstressRadialpressureContractionChondrocytesPiezolCollectingduct图1人体皮肤和软体表面感知机械力的Piezo1 和Piezo2分布4Fig.1Distribution of Piezol and Piezo2 of perceived mechanical force on human skin and articular cartilage surfacel选取不同表面粗糙度Ra和Rsm参数（表1）的试样进行指尖感知试验，从粗糙表面的触觉脑电图（图2）可以看出，试样表面越粗糙，大脑的反应面积越大；表面越精细，大脑的反应面积越小。粗糙表面激发的大脑区位于左脑的中央后回前回、顶下小叶、缘上回和上回，以中央后回为主；精细表面激发的大脑区以初级躯体感觉皮层为主。此外可以看出，随着触碰时间延长，大脑的信号发生变化。从指尖触碰表面到大脑反应以及反馈调整指尖，是一个表面触觉智能反馈过程5-6 表1触觉试验的试样表面粗糙度Table 1Surface roughness of tactile test sampleSampleRa/mRsm/m1#9.641.2710.863.552#5.370.346.792.253#2.440.224.561.594#0.9300.860.065#0.0400.0080面中2024年表程国3565LR(a)#1Intensity735650(b)#383565(c)#5图2 触觉刺激的大脑切片图和三维（3D）图像6 Fig.2Brain slice maps and three-dimensional(3D)images of the tactile stimulation6)1.2关节自感知人体关节自感知具有提取关节状态信息并传递到中枢神经系统，再由中枢神经系统整合关节周围的肌肉活动，使关节维持稳定或特定活动的功能。前交叉韧带（Anterior cruciate ligament,ACL）是维持膝关节稳定的重要结构，除有生物力学功能，还有本体感觉功能。ACL中含有机械感受器，能感知膝关节的张力、速度、加速度、移动方向和位置等变化，并通过神经肌肉反射在膝关节的稳定及运动方面发挥重要作用7 。从形态学上，将膝关节感受器分为四类：I类为Ruffini末梢，属于姿态感受器，尺度为50 50 0 m，平行于韧带纤维，多集中于浅层关节囊，能感知关节位置、运动的角度和速度、关节腔内的压力及旋转角度等变化信息；I类为Pacinian小体，属于动态感受器，呈圆形或椭圆形，尺度为150 6 0 0 m，位于关节囊与韧带，对关节运动觉（运动的起始、突然的移动、加减速动作）进行感知；II类为Golgi样腱器官，属于抑制感受器，呈梭形，尺度为10 0 600m，位于关节内、关节外韧带与浅层关节囊，为慢适应高阈值机械感受器，感受远端关节的移位，传递关节运动接近极限位置等信息，在动作太快或要超出活动范围时，会反射性控制肌张力而有抑制作用；IV类为游离神经末梢，属于疼痛感受器，尺度为0.51.5m，其长轴与韧带长轴平行，具有感知疼痛和炎症的功能，还能对强烈的机械刺激作出反应，游离神经末梢除了传入功能外，还有自主神经传出功能，参与调节血管运动。膝关节感受器（图3）主要分布在ACL的股骨和胫骨附丽处，占韧带组织的1%2.5%。这些机械感受器都有髓鞘，它们可以迅速将关节位置感知信息传递到中枢神经系统。尤其是I型和I型机械感受器被认为与一个人的本体感觉有关。当我们站立时，让我们感知支撑力；当我们感到疼痛时，会反馈调控收腿以缓解关节疼痛。这是自感知能力非常强的关节表面软体。Tap the ligament belowReceptorthekneewitharubberAfferentnerveDSpinal cordCalfsuddenlyliftedEfferentnerveEffector图3人的膝关节感受器被外界刺激产生反应示意图8 Fig.3Schematic diagram of the response of human kneejoint receptors to external stimuli8葛世荣：智能表面工程第1期1.3消化道自适应9哺乳动物进食之后，经过食道、肠胃和肠道实现消化、吸收和排泄过程，这些软体表面都有自感知和自适应能力。食管自适应：当食物进入食管触碰食管表面时，食管表面的触觉信号马上传送到脑干神经核团，激活兴奋性或抑制性的神经元来控制吞咽，并使食管动及胃容扩大。这是食道表面的自适应功能。胃壁自适应：当食物进入胃时，胃壁表面的触觉信号会控制相应的肠道神经核团，促进胃体发生适应性松弛、胃酸分泌增多、胃蠕动增加、幽门松弛和胃结肠反射。这是胃壁表面的自适应功能。肠道自适应：当食物进入肠道，肠道表面感受器通过肠道神经环路促进肠蠕动。非常智能的是肠道并不始终蠕动，当食物到达肛门附近时，盆腔开始收紧控制其继续运动；当结直肠的感受器检测到腹胀信号时，传递到盆腔刺激中心，引起肛门外括约肌放松、结直肠收缩，开启排便过程。这是肠道的自适应功能。1.4表皮自愈合当我们身体被划伤后，伤口愈合包括止血、保护（炎症）、增殖（重建）和组织修复（重塑）四个阶段（图4)。止血：血小板在纤维蛋白网络中聚集，重建内环境，并形成一道屏障，防止微生物入侵。炎症：内皮细胞被促炎细胞因子激活，单核细胞分化为巨噬细胞，具有吞噬肌肉碎片的功能。增殖：红血球创造新的组织，帮助伤口愈合，细胞产生胶原蛋白，修复损伤。重塑：肉芽组织逐渐重塑，形成细胞和血管较少的瘢痕组织，胶原纤维浓度逐渐增加。这四个阶段都是由血小板、血细胞、红血球和肉芽组织等产生的一系列自修复和神经系统刺激的过程，最终形成完好的表皮。在伤口愈合中，还会渗出具有自愈合及自修复作用的保护液。HemostasisBlood clotInflammatoryScabFibroblastMacrophageBlood vesselProliferativeFibroblastsproliferatingSubcutaneous fatRemodelingFreshly healedepidermisFreshly healeddermis图4表皮自愈合的四个阶段10 Fig.4Four stages of epidermal self-healingl0l2自感知表面创新2.1触屏自感知表面触摸屏是一个人造电子显示智能表面，具有精准的自感知功能。目前广泛使用电容式触摸屏，它是一块四层复合玻璃屏，内表面和夹层各涂一层纳米铟锡金属氧化物（Indiumtinoxide，IT O），最外层是厚度仅1.5m的矽土玻璃保护层，夹层ITO涂层为工作面，四个角引出电极（图5）。当手指触屏时，会产生微弱电流信号，流经四个电极的电流与手指头坐标距离成比例，经过专用芯片计算即可确定指尖触碰位置，其定位精度达99%，响应速度小于3ms。这是一个自感知过程，一是感应到手指的62024年面中表国程CoverglassAdhesive layer-ITOtreated filmAdhesivelayerLCD图5电容式触摸屏构造川Fig.5Construction of capacitive touch screen!触摸，二是计算出手指触摸点的位置，从而通过显示屏使人机界面智能控制。这一人造智能表面能否做得更精密、灵敏，取决于制造水平和表面工程技术水平，这样的电子表面工程有别于通常的机械表面工程。2.2损伤自感知表面王军鹏博士 研发了一种基于异硫氰酸荧光素磷钨酸荧光复合物的自感知涂层，将pH响应性荧光复合物负载于介孔SiO2纳米容器中（图6），将其均匀分散于环氧高分子涂层中，制备出智能荧光自预警涂层（图7）。当表面出现划伤后，智能荧光自预警涂层可实现自预警，感知划伤位置和伤口大小。OSiSiOHSSiOOHHOFITCHPW12040NH2H2NHOHOOHOHSCN图6 异硫氰酸荧光素探针分子在介孔SiO2纳米粒子中负载Fig.6 Preparation of FITC molecules in SiO2 mesoporous nanoparticlesl!600oh1h2h400口3h2000200um200um050100150200250300350Displacement/m(a)(b)(c)200um200um200um(d)(e)(f)图7 pH响应性智能荧光自预警涂层在3.5wt.%的NaCI 溶液中浸泡3h表面划痕处的荧光自感知荧光显示(a）钢基材（浸泡前）(b)钢基材（c）垂直于划痕方向上的荧光强度随距离的变化(d)铜基材(e)铝基材(f)镁基材Fig.7 Self-sensing fluorescence display of the scratch on the surface of pH-responsive intelligent fluorescent self-warning coatingimmersed in 3.5 wt.%NaCl solution for 3 h :(a)Steel(before);(b)Steel;(c)Change of fluorescence intensity,along a line perpendicular to the linear crackat different corrosion time;(d)Copper;(e)Aluminium;(f)Magnesium alloy.2.3摩擦自感知表面自感知压电表面利用压电敏感材料可实现表面摩擦自感知，常见压电材料有ZnO、G a N、压电陶瓷等。LIAO等12 设计了一种基于纳米发电机的自感知结构（图8）。纳米发电机利用ZnO制成压电细线（Pi e z o e l e c t r i c f i n e w i r e，PFW）作为传感器，在其外葛世荣：各智能表面工程第1期CompressingStretchingOscilloscoprPolyimide(PI)PFWSubstrateZnOPFWObjectZnOPFWPIsubstratePDMSCufoilCopperwirePlsubstrateZnOPFW1Indium/Tin(a)(b)0.60.6CompressingStretching0.40.40.20.20O-0.2-0.2-0.4-0.4-0.6-0.6-4-3-2-101234-3-2-10123Time/sTime/s(c)图8 基于纳米发电机的表面自感知元胞设计12(a）元胞(b）元胞的信号响应（c）元胞压缩-拉伸重复性试验Fig.8 Design of surface self-sensing unit based on nano-generatorli2:(a)Self-sensing unit;(b)Signal response of self-sensing unit;(c)Compress and stretching test of self-sensing unit.侧布置了嵌入铜线的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）层，用于传递应变，在其内侧布置了锡合金层和铜电极，用于固定压电细线的位置并传递电荷信号，实现表面拉压状态自感知。2.4触压自感知表面图9所示是一种基于柔性集成电磁器件的自感知表面元胞及其压电效应原理13。柔性集成电磁器件由两部分组成：由钕铁硼粉末、热可塑性聚氨酯（Thermoplastic polyurethane，T PU）粉末和气相SiO2打印出多孔结构；用不锈钢粉打印出双层板螺旋夹芯结构。柔性集成电磁器件在压缩-恢复循环中，不锈钢粉末制成的螺旋结构中磁通量（）会产生相应变化，从而在双板上产生电势差，实现表面触压状态自感知。PressureCompressionRecovery10mm(a)(b)WithmagnetCompressionRecovery10CompressionWithoutmagnet105-10Recovery-1000.51.01.52.02.50.550.600.650.700.750.80Time/sTime/sTime/s(c)图9基基于柔性电磁感应的表面自感知元胞设计13(a）元胞(b）元胞的压电效应原理(c）元胞压缩-拉伸重复性试验Fig.9 Surface self-sensing unit design based on flexible electromagnetic induction13:(a)Self-sensing unit;(b)Piezoelectric effect principle of self-sensing unit;(c)Compress and stretching test of self-sensing unit.8面表中国2024年程3自适应表面创新3.1自适应表面变色自然界最常见的自适应是动物变色。变色龙就是一种具有自适应变色的动物，它可以通过改变皮肤颜色来伪装自己。这种变色能力源于一层特殊细胞，这些细胞含有特殊的色素和反射器，在光线、温度和湿度影响下，能够适应周围环境的颜色和光线，快速调整自已的外观，从而迅速形成保护色，同时提供被动热防护。3.2自适应调光涂层基于变色龙的表面自适应变色原理仿生，国外报道了一种表面柔性温度自适应辐射涂层(Temperature-adaptive radiative coating,TARC),能够自适应环境温度而改变表面热发射率4-15。研究表明，VO2具有温度相变特征，当小于6 8 时，它对热红外光是透明的；当大于6 8 时，它吸收热红外光。如用W取代VO2中的1.5%V，相变阈值低至2 5（图10）。由此，该团队制造出TARC薄膜具有三层结构：银反射底层、BaF2透明中间层和VO2表层。在玻璃表面涂上这种涂层，当太阳照射使玻璃表面高于25时，玻璃呈半透光，红外光被阻止在室外；当玻璃表面低于2 5时，红外光可照进室内，产生增温效果。该团队预测，这种自适应调光涂层如果在美国推广应用，将产生巨大的节能减排效果。1.00Radiativecoolers0.80Temperature-adaptive0.60radiativecoating田0.40KeepingwarmRadiative cooling0.20FMetals10203040Surface temperature/C图10温度自适应辐射涂层特性13Fig.10Characteristics of temperature adaptive radiation coatingl33.3自适应疏水涂层超疏水表面由于具有极强的斥水能力，已被广泛地应用于表面自清洁、水油分离以及抗腐蚀等多种领域。随着超疏水材料的不断发展，复杂的使用环境对其提出了更多功能性要求，如对外界环境的感知、对水滴的黏附力可控等。然而，目前制备超疏水材料的原料多为高分子化合物（聚二甲基硅氧烷、聚丙烯等）或无机氧化物（TiO2、Zn O 等），这些原料多数不能提供实现超疏水材料多功能的基础性质。因此，如何制备智能超疏水材料仍然是超疏水领域所面临的挑战性难题。哈尔滨工业大学研究团队14 利用自组装技术和沸腾浸泡的方法，研制出一种对水滴具有可控黏附性的聚丙烯石墨烯超疏水材料，该材料能够通过自身电阻的变化实现对下落水滴的感知。他们以微球结构的石墨烯网络为基底，利用沸腾浸泡的方法将聚丙烯涂覆在石墨烯基底表面，通过控制浸泡时间制备出不同厚度的聚丙烯涂层（图11）。由于采用新型的沸腾浸泡的方法，聚丙烯仅涂覆在石墨烯网络结构的表面，而网络内部并没有被聚丙烯覆盖。基于这种异质结构和石墨烯自身的气敏特性，具有低黏附性的聚丙烯石墨烯材料能够实现对下落水滴的自我感知。当水滴滴落在其表面时，其携带的水蒸气能够通过网络结构与内部的石墨烯接触，从而导致石墨烯与水蒸气之间发生电荷转移，致使材料的电阻产生变化（R），从而实现对水滴的感知。另一方面，低黏附性的超疏水表面还能使下落的水滴迅速弹走，从而实现材料的快速恢复。9葛世荣：智能表面工程第1期1.21.03uL9L15L20L1.00.90.80.8WatervaporWaterdroplet0.60.70.40.60.20.51500.4PP/OCGN1LPP/OCGN-20Inclined platform02468101236912151821Time/sVolumeofwaterdroplet/L(a)(b)(c)SurfaceInnerScratchScratch5um20um5um(d)(e)(f)图11聚丙烯/石墨烯超疏水材料对下落水滴的自感知能力及其异质结构L15(a）水滴的弹跳过程(b）不同水滴连续落在表面过程中的电阻变化（c）电阻变化与下落水滴体积的关系(d）表面的高倍SEM形貌（(e）带有划痕的SEM形貌（）内层的放大SEM形貌Fig.11SSelf-sensing ability and heterostructure of polypropylene/graphene superhydrophobic materials for falling water droplet 15:(a)Bouncing process of falling water droplet;(b)Change of R d u r i n g d i f f e r e n t w a t e r d r o p l e t s f a l l i n g c o n t i n u o u s l y o n t h e s u r f a c e;(c)Relationship between AR and the volume of falling water droplet;(d)Magnified SEM image of surface;(e)SEM image of surface with scratch;(f)Magnified SEM image of inner.3.4自清洁除尘表面德累斯顿工业大学和德国弗劳恩霍夫材料研究所联合团队开发了一种使用激光直写（Directlaserwriting，D L W）和激光干涉直写（Directlaserinterference patterning，D L IP）技术16 ,用于制作超疏水自清洁铝表面。DLIP制备的表面空间周期为7.0m（图12），显示出高达99%的污染颗粒的清洁效率。这种周期性的表面织构使水滴不会在铝合金表面上发生粘附，不仅具有排斥水和冰的能力，表面不会被水和冰污染，同时还可以实现在冲水的条件下将污染性的颗粒直接冲刷掉，具有表面自清洁效应。接触角测量系统中的30 倾斜样品、CCD相机、外部光源测试装置及数据采集原理如图13所示。TrenchHils40um40um400um100um(a)(b)10um40um50m100m(c)(d)图12激光直写装置及制作超疏水自清洁铝表面的表面形貌及微织构16(a）未处理(b)DLW加工(c)DLIP加工(d)DLW和DLIP复合加工Fig.12 Surface morphology and micro-texture of super-hydrophobic self-cleaning aluminum surfacemade by direct laser writing deviceliol(a)Untreated;(b)Processed with DLW;(c)Processed with DLIP;(d)Combination of DLW and DLIP.面10中2024年表国程DSA100SLight source(30Tilt)CameraLightsource10 Lwater100mmContaminationdropletparticlesLaser-structuredsampleCamera10mmTilting10mmSample(a)(b)图13测试装置和数据采集原理(a)测试装置(b）数据采集原理Fig.13Experimental setup and principle of data acquisitionn:(a)Experimental setup;(b)Principle of data acquisition.3.5自适应隐身表面具有超表面（Metasurface）的电子器件能吸收雷达和可见光等电磁波，同时能产生变形，出现一种可变表面形貌，实现对电磁波相位、振幅和偏振等基本特性的调控，以改变雷达波和可见光波的反射或吸收能力。超表面是光子学和声学的前沿领域，也是表面工程与光子学和声学的紧密结合。由亚波长谐振器组成的超表面能够控制电磁波的波前。编码超表面的每个亚波长单元包含一个光电可调二极管，在高对比度反射幅度和相位状态之间切换，形成可自适应调控的隐身超表面。编码超表面作为一种可调功能器件，还可设计吸收器、光开关、偏振控制器件等自适应器件。近来，有科学家结合可编码的超表面和深度学习，设计出自适应隐身超表面，可通过动态实时调整超表面参数，应对不断变化的环境，实现隐身功能，其工作原理如图14所示17 。超表面斗篷由一层超薄的活性超原子组成，每个超原子都包含一个由直流偏压独立控制的变容二极管（图14右上角）。探测器（D e t e c t o r）感知到入射光信息（入射角、偏振、频率）和背景信息，一同输入人工神经网络（Artificialneuralnetw