研究揭示了生物启发控制液体流动的机制

我们对自然界的了解越多，我们越发现大自然是最伟大的工程师。过去的研究认为，液体在具有特定液体通信特性的物种中只能沿固定方向输送，并且它们无法切换输送方向。

最近，香港理工大学(PolyU)的研究人员发现，一种非洲植物以一种以前未知的方式控制着水的流动，​​这可能激发流体动力学和自然启发材料等一系列技术的突破，包括需要多步骤和重复反应的应用，例如微分析、医疗诊断和太阳能海水淡化等。

液体输送是大自然中一个未被人提及的奇迹。例如，高大的树木每天必须将大量的水从根部输送到最高的叶子，而且这些过程完全是无声无息的。一些蜥蜴和植物通过毛细管输送水分。在沙漠中，充分利用稀缺的水分至关重要，一些甲虫可以捕获雾气中的水，并利用化学梯度将其引导到背部。

长期以来，科学家一直在努力提高人类定向移动液体的能力。微流体、水收集和热传递等各种应用都依赖于水或其他流体在小规模或大规模上的高效定向输送。

虽然上述物种提供了基于自然的灵感，但它们仅限于向单一方向输送液体。由理大机械工程学系潘乐陶慈善基金智能及可持续能源教授、热流体及能源工程讲座教授王立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 Crassula muscosa 可以在选定的方向上输送液体。

理工大学的研究人员与香港大学和山东大学的同事一起发现，当植物的两个不同枝条注入相同的液体时，液体会向相反的方向运输。

在一种情况下，液体只流向顶端，而另一种枝条则直接将液体流向植物根部。考虑到 C. muscosa 所处的干旱多雾的环境，捕获水分并将其输送到特定方向的能力是植物的生命线。

由于嫩枝是水平放置的，因此重力不是造成运输方向选择性的原因。相反，这种植物的特殊性质源自嫩枝上堆积的细小叶子。

它们也被称为“鳍”，具有独特的外形，其后掠的躯干(类似鲨鱼鳍)逐渐变细，末端狭窄，指向植物的顶端。这种形状的不对称性是 C. muscosa 选择性定向液体输送的秘密所在。这一切都与操纵弯月面(液体顶部的曲面)有关。

具体来说，关键在于不同枝条上的鳍形状之间存在细微差异。当鳍排向尖端急剧弯曲时，枝条上的液体也会朝那个方向流动。然而，在枝条上，虽然鳍仍指向尖端，但轮廓更向上，流动的方向反而是朝向根部。

流动方向取决于射流主体和翅片两侧之间的角度，因为它们控制着弯月面对液滴施加的力——阻止一个方向的流动并将其送往另一个方向。

基于对植物如何引导液体流动的了解，该团队创建了一种人工模拟物。这些 3D 打印的鳍片被称为 CMIA，即“受 C. muscosa 启发的阵列”，它们的作用类似于 C. muscosa 的倾斜叶子，可控制液体流动的方向。

巧妙的是，天然植物嫩枝上的翅片是无法移动的，而人造 CMIA 则使用磁性材料，可以随意调整翅片的方向。只需施加磁场，就可以逆转液体流经 CMIA 的方向。

这为在工业和实验室环境中沿动态变化的路径输送液体提供了可能性。或者，可以通过改变翅片之间的间距来改变流动方向。

许多技术领域都将受益于 CMIA。王教授表示：“实时定向控制流体流动在微流体、化学合成和生物医学诊断领域都有应用。仿生 CMIA 设计不仅可用于输送液体，还可用于混合液体，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发现的加热问题。”