生物启发的液体流动控制机制，为流体动力学和仿生材料技术带来了启迪性的突破

我们对自然界的了解越多，就越发现大自然是最伟大的工程师。以往的研究认为，液体只能在具有特定液体传导特性的物种上以固定方向传输，且不能改变传输方向。最近，香港理工大学（PolyU）的研究人员发现，一种非洲植物以前所未有的方式控制水分流动——这可能会激发流体动力学和自然启发材料领域一系列技术的突破，包括需要多步骤和重复反应的应用，如微量分析、医学诊断和太阳能海水淡化等。该研究最近已发表在国际学术期刊《科学》上。

液体传输是大自然中一个未被充分赞颂的奇迹。例如，高大的树木每天都要从根部将大量水分提升至最高的叶子上，而且这一过程悄无声息。一些蜥蜴和植物通过毛细血管传导水分。在沙漠中，最大限度地利用稀缺水分至关重要，一些甲虫能够捕捉雾中的水并将其沿背部通过化学梯度导向。

长期以来，科学家们一直寻求提高人类定向移动液体的能力。从微流体、集水到热传递等各种应用都依赖于在小规模或大规模上有效地定向传输水或其他流体。虽然上述物种为我们提供了基于自然的灵感，但它们的液体传输都局限于单一方向。由香港理工大学机械工程系智能与可持续能源领域奥托潘慈善基金教授、热流体与能源工程讲座教授王礼秋教授领导的研究团队发现，原产于纳米比亚和南非的多肉植物青锁龙（Crassula muscosa）能够在选定的方向上传输液体。

与来自香港大学和山东大学的同事一起，理工大学的研究人员注意到，当该植物的两个独立茎被注入相同的液体时，液体会向相反的方向传输。在一种情况下，液体完全朝尖端移动，而另一根茎则将液体直接导向植物根部。鉴于青锁龙生活的干旱但多雾的环境，捕获水分并在选定方向上传输的能力对该植物来说是至关重要的生命线。

由于茎是水平放置的，所以可以排除重力作为选择性传输方向的原因。相反，植物的特殊性质源于其茎上密集的小叶子。这些叶子也被称为“鳍”，具有独特的形状，具有后掠形（类似于鲨鱼的鳍）的主体，逐渐变细至指向植物尖端的狭窄末端。这种形状的不对称性正是青锁龙能够选择性定向传输液体的秘密。这一切都与对液面的操纵有关——即液体顶部的曲面。

具体来说，关键在于不同茎上鳍形状的微妙差异。当鳍行朝尖端急剧弯曲时，茎上的液体也会朝该方向流动。然而，在鳍——虽然仍然指向尖端——但具有更向上轮廓的茎上，移动方向则是朝根部。流动方向取决于茎体与鳍两侧之间的角度，因为这些角度控制着由液面施加在液滴上的力——阻挡一个方向上的流动并将其发送到另一个方向。

有了对植物如何控制液体流动的理解，研究团队创造了一种人工模拟物。这种模拟物被称为CMIAs（青锁龙启发阵列），这些3D打印的鳍片像青锁龙的倾斜叶子一样工作，控制液体流动的方向。巧妙的是，虽然自然植物茎上的鳍片是固定的，但人造CMIAs使用磁性材料制成，因此可以随意重新定向。只需施加磁场，通过CMIA的液体流动就可以反转。这打开了在工业和实验室环境中沿动态变化路径进行液体传输的可能性。或者，通过改变鳍片之间的间距来重新定向流动。

CMIAs有望在众多技术领域发挥作用。王教授表示，“在微流体、化学合成和生物医学诊断中，可以预见实时流体流动方向控制的应用。模仿生物学的CMIA设计不仅可以用于传输液体，还可以用于混合液体，例如在T形阀中。该方法适用于多种化学品，并克服了其他一些微流体技术中存在的加热问题。”