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受纳米布沙漠甲虫背部“脊梁”凸起结构的启发，研究设计了六种不同形状的甲虫背结构。研究人员探究背部凹/凸结构以及脊梁截面形状对集水性能的影响。基于沙漠甲虫背表面的亲疏水性能，采用等离子体处理、表层涂覆亲水PVA以及通过复制甲虫背模板制备PVA水凝胶甲虫背等三种方法进行亲水处理，进一步提升集水效率，最终综合研究得出最优集水结构。
非洲西海岸纳米布沙漠中的两种沙漠甲虫，在干旱时期存活率远高于其他虫类。它们背部独特的凸起结构能捕集大西洋东海岸吹来的雾气，且经过长时间进化形成了主动集水动作。甲虫背凸起呈亲水性用于雾气收集，其他地方呈疏水性用于水滴运输。基于此，研究关注结构形状、表面能、表面亲/疏水性等因素对集水过程的影响。通过设计不同形状的蜘蛛丝纺锤体、相邻纺锤体间连接丝曲率以及甲虫背上脊梁凸起截面形状，模拟扩散通量差异带来的集水效率差异，为实验制备与表征提供理论基础。
COMSOL Multiphysics是一款由瑞典COMSOL公司开发的大型高级数值仿真软件，广泛应用于科学研究和工程计算，被称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。它具有直接求解方程组解决多场问题、在图形界面自由定义方程、任意独立函数控制求解参数、强大网格划分能力、第三方CAD软件直接导入功能以及丰富后处理能力等特点。
主要考虑纺锤体形状对集水性能的影响，包含固体蜘蛛丝（固相域）和有限特定大气环境（气相域），采用COMSOL中的传热模块和化学物质传递模块。传热模块结合固体流体传热和层流接口进行“非等温流动”多物理场耦合，计算固相域和气相域之间的换热过程；化学物质传递模块采用“空气中的水分输送”，结合固体和流体传热与水分输送接口进行“热湿”多物理场耦合，以及层流与水分输送接口的结合进行“水分流动”多物理场耦合，用于计算湿空气中的相对湿度场和模拟水分输送。
模拟不同形状纺锤体的蜘蛛丝，包括“单椭球”“双椭球”等多种形状，在特定大气环境下模拟潮湿表面凝结的液态水浓度大小。采用二维轴对称平面坐标系，截取蜘蛛网上一段含有数个周期纺锤体组合的蜘蛛丝进行模拟计算，利用蜘蛛丝截面的一半通过二维轴对称形成3D模型。给定蜘蛛丝外围特定矩形大气环境，计算某个时间段纺锤体表面凝结的最大液态水浓度。
考虑到整体蜘蛛网纺锤体基数大、计算量庞大，为简化模型，截取含有数个周期纺锤体的蜘蛛丝作为对象进行理论模拟，环境属性上施加气象站数据库的自然大气环境。设定绘制蜘蛛丝时的放置方向为Z轴方向，考虑重力影响，开放边界的自然大气环境呈圆柱形。
COMSOL基于有限元方程计算完成模拟，有限元基于几何离散化为小单元（网格元素），因此需要对模拟对象进行网格划分。通过试算，发现三角网格和四边形网格组合划分比单一形状网格更易适应边界条件、解更易收敛，于是对整个求解域采用自由剖分非结构化三角形网格和四边形组合划分。对于纺锤体内部以及含有边界自然大气环境的网格划分为三角形网格，在纺锤体外围做两层四边形网格划分，以提升计算效率。
在模拟过程中，定义“相对湿度”和“湿度饱和指示器”两个探针，用于观察实际自然大气环境下模拟时每个时间步长的相对湿度最大值以及湿度饱和指示，以便找到最佳液态水凝结时间。两个探针源选择除蜘蛛丝以外的开放边界的“湿空气”环境，探针类型选取“最大值”。
在实际自然环境下模拟蜘蛛丝纺锤体在潮湿表面凝结的液态水浓度，时间单位设定为“h”，时间步数设定为“0.5 h”，共十小时，容差设置选取“用户控制”，设定为“0.0005”。在求解器设置中，对时间步长进一步调整，最大步长约束选择常数，最大步长设为0.25 h。将蜘蛛丝模型假设在有开放边界的自然大气环境内，大气环境参数根据气象数据改变，模拟地点定位“南京禄口”，模拟时间为凌晨0点至早上10点，选取湿空气作为水蒸气。将设计的蜘蛛丝结构置于具有外部边界条件的矩形内，矩形边界设置为开放边界，外界环境流体流动设置为层流流动，湿空气与环境的扩散系数设定为2.6×10-5 m2/s。
纳米布沙漠甲虫背部凸起的形状，设计“半圆”“矩形”以及“三角形”三种不同形状的脊梁凸起的甲虫背。采用稀物质瞬态输运模型模拟水蒸气在半圆形、矩形和三角形特征附近的扩散通量大小，所有模拟采用二维平面坐标系，考虑气相域的热传递和大气环境中的水分扩散过程，模型利用要研究的横截面几何形状建立。
甲虫背为立体三维图形，3D对象模拟所需网格数量多、计算量大，且模拟主要探究背部结构对集水性能的影响，因此选取甲虫背的横截面几何形状，在二维平面内进行几何建模。考虑到空气中的自然对流对蒸汽扩散的影响，在蒸汽扩散方程中考虑对流项，且空气流动被认为是不可压缩的。用非结构化三角形网格自由剖分整个计算域，对相界面和截面形状顶端曲率变化处进行网格细化，避免网格移动过程中发生扭曲或反转。
采用瞬态求解器对问题进行全耦合求解，利用非线性求解器采用牛顿阻尼法，阻尼系数为默认值1。考虑到模拟中扩散过程发生很快，初始时间步长设为0.01 s，时间步长的变化由收敛速度决定，但最大时间步长不超过10 s，所需求解的变量的容差设为物理场控制。
从截面脊梁凸起形状为半圆形、矩形和三角形的三种甲虫背截面形状在相对湿度为90%、环境温度为1℃的湿空气环境中的水汽扩散通量的分布云图可以看出，三角状脊梁凸起的甲虫背上端扩散通量更明显，可达7×10-5 mol/(m2s)，半圆形为6×10-5 mol/(m2s)，矩形为4.5×10-5mol/(m2s)。主要是因为三角形状顶部曲率变化更大，雾气更易在顶端凝结成水滴，甲虫背上密集的规则凸起会使扩散通量两端叠加，导致较大区域的高扩散通量，提升集水效率。因此，在设计甲虫背部脊梁形状时，应选取尖端曲率更小的形状，如“三角”状脊梁凸起。
物理场仿真模拟软件COMSOL对蜘蛛丝以及甲虫背进行仿真模拟计算，通过设计十种不同蜘蛛丝上纺锤体形状，模拟在给定自然大气环境中潮湿蜘蛛丝表面凝结的液态水浓度大小，探究纺锤体的形状及周期组合对蜘蛛丝集水性能的影响。结果显示，相比一些形状的纺锤体，“半平半凹弧”“双凹弧”“半凸半凹弧”形状纺锤体使雾流低速区域明显增加，凹弧设计加大了风阻，提升了蜘蛛丝的集水性能。对于甲虫背，脊梁凸起的截面形状是集水的主要因素，三角形状的扩散通量最优。
淡水资源短缺问题日益显著，雾作为一种天然淡水资源，难以捕捉和利用。自然界中蜘蛛网等生物具有收集和运输潮湿空气中水分的有趣结构。受此启发，研究人员着手仿生制备，但目前蜘蛛网的制备方法较少，限制了其在工程上的实际应用。本研究通过3D打印技术构筑仿生蜘蛛网实现高效湿空气收集，采用3D打印技术打印出微米级的仿生蜘蛛网，蜘蛛网上的纺锤体结呈周期性规律排列。设计的纺锤结为两个相邻的为一组，具有更大的水珠悬挂能力和更高的集水效率。设计了十种纺锤体组合结构，从四个方向上对比不同结构对雾气捕集的影响，得出最优的纺锤体组合结构。实验结果表明，人工蜘蛛网展示了非常可观的集水效率，为解决沙漠地区淡水资源缺乏提供了一定的参考价值，且3D打印仿生蜘蛛网具有坚固的稳定性，能够反复用于集水装置中。
