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0 前言
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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[1]。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：① 摩擦的表面形态，包括润滑、磨损、振动、噪声等；② 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；③ 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。
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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。
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1 人体表面智能性
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1.1 皮肤自感知
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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、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。
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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。Piezo1 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]。
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图1 人体皮肤和软体表面感知机械力的 Piezo1 和 Piezo2 分布[4]
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Fig.1 Distribution of Piezo1 and Piezo2 of perceived mechanical force on human skin and articular cartilage surface[4]
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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、缘上回和颞上回，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]。
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图2 触觉刺激的大脑切片图和三维（3D）图像[6]
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Fig.2 Brain slice maps and three-dimensional (3D) images of the tactile stimulation[6]
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1.2 关节自感知
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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]。
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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50～500 μm，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；Ⅱ类为 Pacinian 小体，属于动态感受器，呈圆形或椭圆形，尺度为 150～600 μm，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；Ⅲ类为 Golgi 样腱器官，属于抑制感受器，呈梭形，尺度为 100～600 μm，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 0.5～1.5 μm，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。
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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Ⅱ型和Ⅲ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。
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图3 人的膝关节感受器被外界刺激产生反应示意图[8]
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Fig.3 Schematic diagram of the response of human knee joint receptors to external stimuli[8]
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1.3 消化道自适应[9]
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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。
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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，并使食管蠕动及胃容扩大。这是食道表面的自适应功能。
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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。
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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。
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1.4 表皮自愈合
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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。
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图4 表皮自愈合的四个阶段[10]
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Fig.4 Four stages of epidermal self-healing[10]
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2 自感知表面创新
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2.1 触屏自感知表面
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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（Indium tin oxide，ITO），最外层是厚度仅 1.5 μm 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 3 ms。这是一个自感知过程，一是感应到手指的触摸，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。
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图5 电容式触摸屏构造 [11]
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Fig.5 Construction of capacitive touch screen[11]
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2.2 损伤自感知表面
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王军鹏博士[11]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。
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图6 异硫氰酸荧光素探针分子在介孔 SiO2纳米粒子中负载[11]
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Fig.6 Preparation of FITC molecules in SiO2 mesoporous nanoparticles[11]
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图7 pH 响应性智能荧光自预警涂层在 3.5 wt.%的 NaCl 溶液中浸泡 3 h 表面划痕处的荧光自感知荧光显示[11]（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
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Fig.7 Self-sensing fluorescence display of the scratch on the surface of pH-responsive intelligent fluorescent self-warning coating immersed in 3.5 wt.% NaCl solution for 3 h [11] : (a) Steel (before) ; (b) Steel; (c) Change of fluorescence intensity, along a line perpendicular to the linear crack at different corrosion time; (d) Copper; (e) Aluminium; (f) Magnesium alloy.
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2.3 摩擦自感知表面
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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、GaN、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 （Piezoelectric fine wire，PFW）作为传感器，在其外侧布置了嵌入铜线的聚二甲基硅氧烷（Polydimethyl siloxane，PDMS）层，用于传递应变，在其内侧布置了铟锡合金层和铜电极，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。
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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
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Fig.8 Design of surface self-sensing unit based on nano-generator[12]: (a) Self-sensing unit; (b) Signal response of self-sensing unit; (c) Compress and stretching test of self-sensing unit.
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2.4 触压自感知表面
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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：① 由钕铁硼粉末、热可塑性聚氨酯（Thermoplastic polyurethane，TPU）粉末和气相 SiO2 打印出多孔结构；② 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（Ф）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。
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图9 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
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Fig.9 Surface self-sensing unit design based on flexible electromagnetic induction[13]: (a) Self-sensing unit; (b) Piezoelectric effect principle of self-sensing unit; (c) Compress and stretching test of self-sensing unit.
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3 自适应表面创新
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3.1 自适应表面变色
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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，快速调整自己的外观，从而迅速形成保护色，同时提供被动热防护。
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3.2 自适应调光涂层
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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[14-15]。研究表明，VO2 具有温度相变特征，当小于 68℃ 时，它对热红外光是透明的；当大于 68℃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 25℃（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 25℃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。
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图10 温度自适应辐射涂层特性[13]
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Fig.10 Characteristics of temperature adaptive radiation coating[13]
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3.3 自适应疏水涂层
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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、ZnO 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。
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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。
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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[15]（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（f）内层的放大 SEM 形貌
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Fig.11 Self-sensing ability and heterostructure of polypropylene / graphene superhydrophobic materials for falling water droplets [15]: (a) Bouncing process of falling water droplet; (b) Change of ΔR during different water droplets falling continuously on the surface; (c) Relationship between ΔR 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.
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3.4 自清洁除尘表面
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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（Direct laser writing，DLW）和激光干涉直写（Direct laser interference patterning，DLIP）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 7.0 μm（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。
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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
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Fig.12 Surface morphology and micro-texture of super-hydrophobic self-cleaning aluminum surface made by direct laser writing device [16]: (a) Untreated; (b) Processed with DLW; (c) Processed with DLIP; (d) Combination of DLW and DLIP.
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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
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Fig.13 Experimental setup and principle of data acquisitionn: (a) Experimental setup; (b) Principle of data acquisition.
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3.5 自适应隐身表面
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具有超表面（Meta surface）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。
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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。
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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 （Detector）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（Artificial neural network，ANN）。ANN 能够快速输出各个二极管单元的电压。超表面的电压经过调整后，能够产生特定的响应，实现隐身。这里比较关键的是 ANN，它提前通过大量数据进行训练，考虑到了无数种可能的环境，目标（Label）就是实现隐身。
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图14 具有深度学习功能的超表面隐身衣[17]
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Fig.14 Deep-learning-enabled metasurface invisibility cloak[17]
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将超表面隐身衣覆盖在散射体（蜥蜴）上进行测试，图15a展示了四种入射条件下的自适应隐身能力，图15b 是背景场，即没有散射体存在时的磁场强度，图15c 是将超表面隐身衣覆盖在散射体上测得的磁场图，图15d 是没有盖隐身衣，只留下蜥蜴时测得的磁场图。对比图15b、15d，能观察到蜥蜴影响了入射光的反射，磁场图显示出巨大差异。而对比图15b、15c，两者很相近，说明覆盖在蜥蜴上的超表面披风起到了隐身的效果，而且从背景 1 到背景 4，超表面隐身衣都起到了很好的效果。图15e 是四种场景的隐身和裸露物体的远场差分雷达散射截面积 （Radar cross section，RCS）对比图（实线为隐身体的雷达散射信号强度，虚线为裸露体的雷达散射信号强度）。
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图15 演示自适应隐身披风对入射波和背景随机变化的响应[17]（a）背景和入射波（b）背景（c）隐形物体（d）裸露物体（e）远场微分 RCS
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Fig.15 Demonstration of the self-adaptive cloak response to random and simultaneous changes in the incident wave and background[17]: (a) Background and the incident wave; (b) Background; (c) Cloaked object; (d) Bare object; (e) Far-field differential RCS.
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3.6 自硬化耐磨表面
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研究发现，高锰钢具有自硬化耐磨表面特性。经水韧处理后高锰钢呈奥氏体组织，韧性高（196～294 J / cm2），硬度低（180～225 HB）。低冲击载荷时，表面硬度达到 300～400 HB；高冲击载荷时，表面硬度达到 500～800 HB。随冲击载荷的不同，表面硬化层深度达 1～2 mm。高硬度的硬化层可以抵抗冲击磨料磨损，当硬化层磨损后，其表层材料在外力作用下又可继续硬化，这样就能形成“取之不尽，用之不竭”的自硬化耐磨层。
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高锰钢表面强化的机理是在冲击载荷作用的冷变形过程中，位错密度大量增加，位错的交割、塞积及位错和溶质原子交互作用产生的加工硬化。另一个重要原因则是高锰奥氏体的层错能低，形变时容易出现堆垛层错，从而为 ε 马氏体的形成和形变孪晶的产生创造了条件。ε 马氏体和形变孪晶的出现使钢的强度和硬度进一步增加，尤其是后者的作用更大。
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王军祥[18]和葛世荣等[19]的研究揭示了煤流摩擦对中锰钢的自硬化效应，发明了一种多元合金强韧化耐磨中锰钢及制备工艺，热轧奥氏体中锰钢的相对耐磨性高于高锰钢和 HD450 马氏体耐磨钢（图16）。该研究成果开拓了采运装备耐磨新途径，实现了耐磨部件批量化制造，耐磨性高于国外先进技术 50%，现场过煤量大于 1 500 万吨。
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图16 煤流摩擦对中锰钢的自硬化效应（a）煤流摩擦冲击诱发相变（b）自硬化表面硬度分布（c）发明与马氏体耐磨钢的磨损对比
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Fig.16 Self-hardening effect of coal flow friction on medium manganese steel: (a) Phase transformation induced by friction impact of coal flow; (b) Hardness distribution of self-hardening layer; (c) Wear comparison between the invention and martensite wear-resistant steel.
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3.7 自减摩超滑表面
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2023 年，美国橡树岭国家实验室曲俊团队成功研发了一种表面碳纳米管（Carbon nanotube，CNT） 涂层技术（图17）。在钢表面制备出垂直排列的碳纳米管“草丛”，发生相互滑动时，“草丛”被剪切生成碳纳米管碎片，这些碳纳米碎片在滑移面上形成石墨烯润滑膜，原位构建了微观石墨烯与石墨烯接触界面，体现出低剪切力的超滑性能，使钢与钢的摩擦力降低了 100 倍。这种超滑性能在超过 50 万次循环的长期测试中表现出良好的保持性以及适应滑动条件变化的强大能力，证明了实现宏观尺度下的超滑可行性。该团队预测，这种涂层在美国推广应用，每年可减少因摩擦磨损导致的 1 万多亿美元损失。
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图17 碳纳米管沉积在 316 型不锈钢盘的显微形貌[20]（a）SEM 俯视图（插图：CVD 前后的不锈钢盘）；（b）SEM 侧视图；（c）碳纳米管的 TEM 形貌
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Fig.17 Micro-morphology of carbon nanotubes deposited on 316 stainless steel disk[20]: (a) SEM top view (Insetion stainless steel disk before and after the CVD process) ; (b) SEM side view; (c) TEM images of carbon nanotubes.
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4 自愈合表面创新
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自愈合是指无需触发信号或外部刺激即可进行的自我修复，包括内源型自修复和外源型自修复。
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4.1 植物自愈合
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植物自愈合机制：植物拥有特殊的干细胞、卡氏瘤、植物生长素和愈伤组织等结构，它们协同作用，使植物可以在受损或者切割的情况下，快速修复并再生组织，保证植物的正常生长和发育。如大黄含有大量芳香族合物，促进细胞分裂和再生，使根部受伤在短时间内自修复；仙人掌的茎部和叶片含有大量水分和养分，可迅速填充受伤部位，促进细胞分裂和再生，使切割和刮伤迅速愈合。
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4.2 自愈合聚合物膜
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自愈合聚合物膜可实现外源型自愈合和内源型自愈合[21]。外源型自愈合是在聚合物基质中混入由反应性新鲜前体和催化剂组成的愈合剂，当损伤发生时，愈合剂被释放，通过自发聚合和化学反应重建交联网络来修复受伤区域（图18a）。内源型自愈合是无需额外修复试剂帮助而具有自修复功能，受损区域能够通过聚合物基质重组和受损界面处动态共价键或非共价键再生而反复自主愈合（图18b）。
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图18 人工自愈合系统[21]（a）外部自愈系统（b）内部自愈系统
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Fig.18 Artificial self-healing systems[21]: (a) Extrinsic self-healing system; (b) Intrinsic self-healing system.
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4.3 自愈合导电皮肤
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压力敏感性和机械自愈合是人类皮肤的两个重要功能。研发一种既能感知机械力又能重复自我修复的柔性导电材料可用于软机器人和仿生假体等新兴领域，但将所有这些特性融为一体是具有挑战性的任务。
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斯坦福大学鲍哲南教授首次采用基于尿素的自修复聚合物和镍纳米颗粒，制备具有自愈合能力的导电复合材料，如图19 所示[22]，电导率可以通过改变镍颗粒含量来调节。破损材料在室温下 15 s 电导率可恢复 90%，力学性能在 10 min 后完全恢复。结果表明，自愈合导电和压阻材料可模仿自然皮肤的可重复自愈合能力，从而拓展了电子皮肤的应用范围。
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4.4 自愈合离子皮肤
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中国科学院宁波材料所朱锦团队与韩国团队合作开发出自愈合离子皮肤，展现类似的皮肤弹性及自修复能力，即由离子动力学产生的动电位刺激和动态二硫键的键交换效应模拟人体皮肤的外力感知和自愈合功能[26]。他们发现含有动态二硫键功能基团和氯取代基的热塑性聚氨酯在室温下能够自愈合；离子液体（CLiPS）作为信号传输介质，填充热塑性聚氨酯，开发出新型离子导体；以银纳米线（AgNw）为柔性电极，聚氨酯为封装材料，组装成自愈合离子皮肤（图20）。由于聚氨酯中引入的氯取代基电负性较大，与离子液体间具有可逆的离子偶极相互作用。通过机械刺激改变氯取代基与离子液体之间可逆的离子偶极相互作用，能够有效提高即时电容和初始电容的差值，从而提高灵敏度。
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图20 离子皮肤结构
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Fig.20 CLiPS-based skin architecture
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4.5 自修复防腐涂层
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中山大学林志峰团队研制出 Fe3O4 纳米颗粒和十四烷醇的环氧树脂涂层（图21），厚度为200 μm，在阳光照射下具有自愈合能力[27]。试验表明，自修复涂层 （Self-healing coating，SHC）被照射200 s，即可升温至 70℃，十四醇熔化流动填充表面缺陷，3 min 就能修复涂层表面划痕，防腐蚀效率大于99%。这种新型太阳光驱动的“自修复”防腐涂层材料具有智能自修复能力，无需外界辅助修复，防渗防腐性能可与目前商业涂层相媲美，是有发展潜力的表面防腐工程材料。
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图21 自修复涂层的自愈机制
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Fig.21 Self-healing mechanism of self-healing coating
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4.6 自愈合蛋白质体
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德国马普研究所 DEMIREL 团队借鉴鱿鱼腕足吸盘的环状齿蛋白序列，制备出愈合时间 1 s、愈后强度 23 MPa 的自愈合蛋白质弹性体，用于制造气动人工肌肉和柔性抓手。自愈合的驱动力是氨基酸中的氢键，当切口被挤压接触时，分子链自发扩散，形成新的 β-折叠结构，将切口重新粘合为一体（图22[28]）。
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4.7 自愈合关节软骨
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通过天然关节结构仿生，在聚醚醚酮（Polyetherether-ketone，PEEK）基材上制造聚乙烯醇 （Polyvinyl alcohol，PVA）水凝胶层，为人工关节提供润滑，并用单宁酸与 PVA 分子形成动态氢键，强化水凝胶层并赋予其自愈能力。由此制备 PEEK水凝胶复合材料，摩擦因数约为 0.06，磨损很小。利用氢键的可逆性，在室温下自发修复损伤划痕 （图23[29]）。这种 PEEK 人工软骨关节符合 PVA 表层，有望大幅提升人工关节耐磨寿命和使用舒适性。
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图22 自修复的多肽（a）自修复机制（b）自修复材料性能对比
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Fig.22 Self-healing polypeptides: (a) Self-healing mechanism; (b) Performance comparison of self-healing materials.
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图23 水凝胶层自愈合过程[29]
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Fig.23 Self-healing process of hydrogel layer[29]
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4.8 自愈合磨损划痕
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20 世纪 60 年代，前苏联发现在含有蛇纹石 （[Mg3（Si2O5）（OH）4]50%～80%、软玉 10%～40%、次石墨 1%～10%）的矿层钻进中，钻头耐磨寿命高于其他岩石矿层的六倍，揭开了蛇纹石对金属磨损自修复作用的探索之路。蛇纹石自修复机制是羟基硅酸镁等形成的超细粉体（粒度 0.1～10 μm）填充修补了磨痕。以润滑油为载体，将自修复粉粒送入摩擦副界面，通过摩擦化学作用对磨损部位原位修复。蛇纹石自修复与金属磨损的自修复是否能找出关联性，研发出自修复表面涂层，对机械活塞、油缸、齿轮的表面设计都具有启发意义。
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5 结论与展望
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传统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具有自润滑、自抗磨、自耐蚀、自修复的智能表面技术。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。智能表面制造应当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，将是智能表面工程领域的显著进步。
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智能表面工程在以下三方面具有很大发展潜力：
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（1）摩擦智能表面工程。据统计，80%的机械装备因磨损而失效，摩擦和磨损共同造成的损失一般是工业国家 GDP 的 2%～7%。全世界每年约 10% 总产量的钢铁因锈蚀而废弃，造成每年 4 万亿美元损失，我国每年约损失 7 000 亿元。通过智能表面工程，实现摩擦副的自适应超低摩擦界面、自愈合超强耐磨表面，构建自感知超稳摩擦系统、自调控超快传动机构，将支撑智能装备制造技术发展，创造出更快、更强、更稳的机械系统，如超级高铁运输、超级空天运载、超精加工机床、超大矿山装备等。
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（2）仿生智能表面工程。人的皮肤表面具有高度智能性，皮肤触觉覆盖了人对外界 80%的精细认知，具有自感知、自适应和自愈合的独有智能特性，是人工智能科学尚未深入探索的现象，也是智能表面工程仿生创新目标。随着高智能机器人发展，仿生智能电子皮肤是关键技术之一，使机器人可以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，达到更高智能性。
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（3）低碳智能表面工程。人类社会继农业文明、工业文明之后，将步入生态文明阶段，其核心是构建低能耗、低污染、低排放的低碳经济模式，其关键是能源技术创新，包括清洁能源技术和高效节能技术创新。据统计，全世界的一次性能源消耗约有 1/3 被摩擦所消耗，可以认为减摩是节能，即降碳！ 据统计，全球建筑耗能约占全部能耗的 35%，建筑领域碳排放约占全部碳排放的 38%。因此，表面工程学科应面向碳达峰和碳中和的“双碳”战略需求，研究低碳表面工程理论与技术，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。
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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。
Abstract
Since it was first reported, surface engineering has evolved from traditional surface engineering to composite surface engineering, nano-surface engineering, and surface engineering automation, and is now finding applications in frontier fields like information technology, biotechnology, and nano-technology. The advent of the intelligent era gave rise to intelligent surface engineering, 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 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-sensing surfaces, 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-cleaning dust removal surfaces, self-adaptive stealth surfaces, self-hardening wear-resistant surfaces, and self-friction reducing superlubricity surfaces. 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-healing wear scratches, are discussed. The intersection and integration of bionic science and surface engineering technology should be thoroughly examined in intelligent surface manufacturing. In tribology, bionics, and low carbon science, many key theoretical and technical problems are yet to be explored. A breakthrough, when achieved, is expected to promote the significant advancement of intelligent surface engineering. It is anticipated that friction intelligent surface engineering will underpin the progress of intelligent equipment manufacturing technology and pave the way for a faster, stronger, and more stable mechanical system. Through bionic intelligent surface engineering, robots are expected to gain a more intelligent sense of their own movement, spatial perception, and responsiveness to external stimuli. Low-carbon intelligent surface engineering is predicted to decrease the energy consumption of the friction system and carbon emissions in the construction sector, thus intertwining tribology and surface engineering research with the responsibility of the community of shared future for mankind.
