摘要：许多生物利用独特的纤维或不对称锥形结构产生的不对称毛细管力来快速消除不需要的液体，以在潮湿或多雨的栖息地生存。人类睫毛是眼睛的主要保护者，它使用一种尚未完全理解的机制来有效地转移进入的液体以保护视力。
许多生物利用独特的纤维或不对称锥形结构产生的不对称毛细管力来快速消除不需要的液体，以在潮湿或多雨的栖息地生存。人类睫毛是眼睛的主要保护者，它使用一种尚未完全理解的机制来有效地转移进入的液体以保护视力。
鉴于此，中科院理化所董智超、戴浩宇团队阐明，人类睫毛具有疏水性弯曲柔性纤维阵列，具有表面微棘轮和接近速线的宏观曲率，擅长定向快速排出进入的液体以保持清晰的视力。这些结构属性依次用于液体排出，从通过微棘轮的各向异性保留开始，然后是偏转的疏水性柔性纤维阵列之间的弹性排斥，最终沿着 Brachistochrone 路径最快滑落，这总共将接触时间减少了约刚性线性斜坡上的20%。研究人类睫毛的多重结构和排水效率之间的复杂关系可能会启发户外设备上先进的防水边缘的设计，以保持干燥。相关研究成果以题为“Rapid water drainage on human eyelashes of a hydrophobic Brachistochrone fiber array”发表在最新一期《Science Advance》上。
【人类睫毛的结构、润湿性和排水过程】
睫毛起着天然被动排水系统的作用，可防止积水并确保在出汗或洗脸等条件下视力清晰。首先，睫毛功能观察：当将一滴水放在志愿者的睫毛上时，它会滑落而不会回流或残留。睫毛向下倾斜和疏水表面促进了这种运动。睫毛在根部以准平行方式密集排列，向尖端逐渐变细以增强定向排水。扫描电子显微镜（SEM）显示睫毛角质层上存在各向异性的微棘轮拓扑结构，从根部延伸到尖端。这些结构表现出重叠的鳞片状特征，为液体运动创造了途径。微棘轮设计产生不对称的粘附力，有利于液体朝一个方向（从根部到尖端）运动。此外，睫毛表现出疏水行为，这由高静态接触角（毫米级水滴的θᴇ≈145°和微米级水滴的θᴇ≈110°）表明。垂直粘附力实验表明，睫毛纤维上的保持力是不对称的，逆微棘轮方向的力大于顺微棘轮方向的力。与头皮毛发不同，头皮毛发会因磨损和损坏而失去尖端的疏水性，而睫毛在整个长度上都保持疏水性。这归因于它们较短的生长周期（4-7个月）和较少的化学处理暴露。
图 1. 人类睫毛特征和排水过程
【纤维阵列的柔韧性和润湿性对排水的影响】
研究人员将人类睫毛的排水特性与人造睫毛模拟纤维阵列进行了比较，以阐明柔韧性和润湿性的作用。（1）临界滑落直径：实验确定了液滴滑落的临界液滴直径（Δᴅᴄ）。对于人类睫毛，Δᴅᴄ≈1.80 毫米，体积ᴡᴅ≈3.08 μL。对于模拟纤维，Δᴅᴄ≈1.39 毫米，体积ᴡᴅ≈1.41 μL。这种差异凸显了天然睫毛结构在使较大液滴更有效地滑落方面的作用。（2）偏转和恢复：液滴在滑动过程中使纤维向外变形，形成开口楔形。这种变形有助于排出液滴，因为它增加了液滴的纵向直径（ᴅ₂）而不是横向直径（ᴅ₁）。液滴排出后，纤维恢复其原始形状，表现出弹性。（3）弹力和驱动机制：偏转产生推动液滴的弹力（ᵈₑ）。理论计算显示ᵈₑ值与实验观察结果一致，验证了灵活性在增强排水方面的作用。（4）润湿性影响：疏水纤维向外偏转，形成推动液滴的楔形。相反，亲水纤维允许水固定和扩散，抑制排水并可能损害视觉清晰度。
图 2.纤维阵列的柔韧性和润湿性对液滴滑动动力学和排水的影响
【纤维阵列曲率对排水的影响】
人类睫毛表现出接近最陡下降路径（最速降线曲线）的自然曲率，从而优化排水。首先，是曲率的优化（图3A）：志愿者的睫毛曲率范围从线性（ᵇ=ᵇ）到弧形{z=[1-(1-x)²]½}，其中许多接近最速降线（z[1+(ᵛ̇)²]=c）。最速降线曲率使液滴能够更快地滑落适用于线性和弧形路径。其次，是速度和接触时间（图3B）：最速降线曲率将接触时间缩短了约20%（Δᵗᵣ≈10毫秒），显著提高了排水效率。分量速度表明，在最速降线路径上，液滴实现了更高的垂直速度和更平稳地过渡到水平运动。最后，弹力贡献（图3C-E）：柔性纤维的偏转增加了水平弹力，产生了加速度（ᵘₑ≈9米/秒²），进一步减少了接触时间。
图 3. .纤维阵列宏观曲率对液滴滑动动力学的影响
人类睫毛表现出疏水性、柔韧性、微棘轮拓扑结构和优化曲率的复杂集成，共同确保高效排水。第一，对美容实践的影响（图4A）：常见的做法，例如涂抹亲水性睫毛膏或将睫毛重塑为向上弯曲，会损害其自然功能。疏水性弯曲假睫毛提供了一种功能性替代方案。第二，技术应用（图4B，C）：受睫毛启发的纤维阵列可以增强光学镜片、电气外壳和通风系统的防水和湿度管理。例如，模拟纤维阵列可防止镜片起雾并改善户外设备的排水。第三，更广泛的影响（图4D，E）：这些发现可能会启发机器人、可穿戴电子产品和其他需要高效液体管理领域的仿生设计。
图 4. 模拟人类睫毛排水边缘的应用假设
【结论】
本文证明人类睫毛由疏水性柔性纤维阵列组成，具有从表面微棘齿到宏观曲率的多方面结构集成，有利于定向和快速排出不需要的进入液体。紧接着全面阐明了人类睫毛快速排水特性背后的机制。通过整合结构、机械和疏水特性，睫毛在保护视力免受液体干扰方面实现了无与伦比的效率。对睫毛结构和功能之间相互作用的更深入了解可以指导创新排水解决方案的深思熟虑设计，包括美观且具有保护性的假睫毛、防水成像和通风装置。总的来说，这些发现为化妆品和工业应用中的仿生设计奠定了基础，强调了保持这些天然结构功能完整性的重要性。
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来源：长河的一条鱼