植物水往高处流是什么原理(水往高处流的制作方法)

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众所周知，“人往高处走，水往低处流”。然而，我们年轻，对世界充满好奇。我们有没有想过，有没有办法让水在仲夏夜向上流，对着星空空？仿生学领域的研究让曾经的好奇不再是梦想。研究表明，包括沙漠甲虫、荷叶、浸湿的蜘蛛丝在内的无数生物原型都可以定向输送水分。研究最广泛的生物原型是猪笼草。通过对猪笼草捕虫功能的一系列研究，发现了猪笼草内部水滴逆向运输的机制，让水向上流不再是梦想。这些特殊的功能通常归因于其在纳微米尺度上的分级结构，在输运过程中的驱动力主要是表面能梯度和拉普拉斯压力梯度。

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作者简介

清华大学精密仪器系20级博士生强振峰，导师是王雪教授。目前主要研究方向是气体传感器系统研究。

一个

猪笼草的宏观结构分析

猪笼草属于热带食虫植物。它有一个吸收营养的独特器官——捕虫笼，呈圆柱形，下部略膨大，口上有盖，故因形似猪笼而得名。如图1所示，翅猪笼草叶笼主要由笼盖、唇、蜡质区和消化区组成。笼盖罩在笼口上方，主要可以防止雨水进入笼内，降低笼内消化液的酸度。唇由大量规则排列的放射状脊组成，由内向外蜿蜒曲折，环绕笼口。其红色的颜色特征和分泌的蜂蜜可以吸引昆虫，而储存液体的凹槽形成的超润滑结构可以滑动昆虫。蜡质区表面覆盖一层白蜡，具有留住昆虫，防止昆虫逃出叶笼的作用。

图1猪笼草的形态

2

逆向运输原理的研究与秘密

猪笼草嘴唇表面形态的研究一直受到国内外学者的关注。如图2所示，英国剑桥大学的U.Bauer分析了猪笼草嘴唇的捕虫机制，发现猪笼草嘴唇表面分布着高度规则的微结构，由两级放射状的脊组成，第一级的高度、跨度和形状差异较大，而第二级由整齐的表皮细胞组成，分布较为均匀。此外，猪笼草嘴唇的亲水特性产生。研究表明，这两级径向脊增加了表面粗糙度，通过微观形貌和毛细作用力，表面可以被液体完全润湿。在潮湿的环境中，猪笼草的嘴唇总是覆盖着一层薄薄的水膜。

猪笼草嘴唇的显微形态。

猪笼草叶笼；(b)蝴蝶从嘴唇上吮吸蜂蜜；(c)内边缘上的齿状突起；

(d-e)两段径向脊状结构；(f-h)唇部；(g)消化区的消化腺；

(I)蜡质区域中蜡质层的表面

北航陈华伟空研究组在猪笼草内部水滴定向输运研究方面做出了重要贡献，相关研究成果已发表在顶级期刊《自然》上。本文报道猪笼草可以单向携带水滴，使水滴从叶笼内部输送到外部。在运输过程中，猪笼草捕虫器唇边的液体可以克服重力，从低到高单向快速流动。目前，水的定向连续输送原理已被成功揭示，定向输送模型已被构建。

研究小组的仿生对象是猪笼草，这是一种菲律宾特有的热带食虫植物。猪笼草体长10-15厘米，笼口边缘有一个拱形的环状组织，称为“唇”，从内缘到外缘的宽度约为1-2厘米，看似光滑的唇面实际上有多级凹槽结构。扫描电镜发现，第一级沟槽的宽度约为461.72× 49.93μm，第二级沟槽的宽度约为第一级结构的十分之一。鸭嘴形楔形孔阵列结构连续分布在每个二级槽中，其外轮廓为弧形。楔形盲孔的张角从90°减小到28°左右，张角的变化形成了结构梯度，改变了毛细管力，使水滴逆向运移。因此，猪笼草唇上液膜的连续输送机理是通过其楔形盲孔实现的。

通过深入探讨猪笼草嘴唇的微结构特征和液体运动机理。研究表明，聚集在嘴边缘区域内边缘的水滴可以在几秒钟内移动到外边缘，而外边缘的小水滴不能向内移动。如图3所示，研究团队利用原位显微观测设备(原始观测设备是指结合扫描电镜等设备实时观测猪笼草在性能测试实验过程中的形态变化)，发现水的输运被限制在单一的大通道内，大通道垂直于口区边缘分布，而水的侧向流动并未超过原始沉积区的宽度。在扩散的过程中，水会被固定在微腔内端的锐边上，形成水钉扎，造成负压锁住液体，阻止水从唇部外缘向内缘输送。因此，水首先会沿着微腔的楔形角扩散，通过毛细现象使水面不断上升(即液体由于细管内部的内聚力和粘附力的差异而逆着重力上升)，然后空气体被去除并充满微腔，最后停留在微腔前方。此外，当微腔没有完全充满水时，它将开始填充相邻的微腔。通过反复填充梯度差的微腔，将水逐级向上输送，实现水滴从内缘到外缘的连续定向输送，完全不消耗能量。楔角越小，单向运输速度越快。

图3基于原位观察的猪笼草唇面水滴定向输送原理。

三

逆向运输模型的构建

基于猪笼草捕虫唇表面的微观结构和液体输运机理，为了深入分析水滴的定向输运机理，研究团队进行了数学分析并建立了理论模型，成功制造了基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的仿生人工猪笼草唇表面膜。发现只有亲水的PDMS表面才能实现液体的定向输送功能，亲水表面上水滴的临界接触角小于65°(以前疏水性和亲水性的临界值为90°)。而人膜表面的亲水性越高，水的传输速度越快，最快可达每秒78±12mm，性能越持久，表现出无需动力就能从低到高连续传输水的现象。在此发现的基础上，通过仿生设计制造方法提取了猪笼草的典型特征结构，即弧形外轮廓和楔形孔洞。创新性地将斜坡曝光和二次曝光光刻技术相结合，模拟猪笼草嘴缘区域的表面结构进行压印，成功复制了猪笼草嘴缘区域的工作机理。成功设计制造了单向铺展输送液体的仿生表面，完善了表面单向铺展输送的技术体系[63]。

液体在平面上的杨氏接触角θ和角张角α满足下式，液体可以无界增长。

此时，毛细管生长高度可由以下公式给出:

其中γ是表面张力；ρ是液体的密度；θ是水的接触角；g是重力常数。

在自然界中，往往不是简单的毛细血管生长(张角不变)，而是更有弹性(张角在变)。猪笼草实际上是通过在口腔边缘区域建立一个特殊的梯度来产生梯度的。具体来说，某个微腔的开度角α1大于其上方微腔的开度角α2。在这种情况下，当α 1 > α 2时，假设它们之间的差无限小，毛细管生长高度可以由下面的公式给出:

在此公式中，设α1=α2，为恒定张角下的毛细管生长高度；当α 1 > α 2时，大于恒定张角下的毛细管生长高度；当α 1 < α 2时，小于恒定张角下的毛细管生长高度。

研究小组设计了一个简单的实验来验证毛细血管生长高度的增加和减少。结果表明，当水平角置于垂直角顶部时，水沿垂直梯度上升，然后充满顶部的水平角。这种效应使系统中增加的水量增加了40%,并使水的停留时间延长了两倍。在嘴边缘区域，具有封闭头部的对称微腔结构导致比普通毛细管更高的高度。

四

前沿应用

基于本研究的理论计算模型以及相关科学技术和材料科学的进展，仿生人工膜表面的材料和结构可以在未来根据不同的需要进行调整，扩大应用层面。其实在此之前，哈佛大学已经在《自然》杂志上发表了“模仿猪笼草仿生超滑表面”的论文，但相关研究仅仅停留在口缘有液膜呈现超滑的仿生结果。这一发现深入研究了猪笼草口沿的微纳结构如何影响液膜的形成。

目前已经开发出仿生猪笼草人工膜，无需动力就能使液体向一个方向流动，还能使水毫不费力地倒流。经过测试，这种具有亲水表面的薄膜在6秒钟内可以提高约3厘米的液体传输速度。这种不需要电力消耗的微型运输，未来可以在干旱或沙漠地区不需要能源消耗地抽取地下水，构建农业长距离运输灌溉系统，运输水、油或其他流体，有效节约电力和能源。在医疗领域，我们可以做一个无动力输送微量药物的点滴注射装置，避免因重力阻碍药液传输的现状，或者作为手术刀表面防止软组织粘连，提高手术的准确性，节省手术时间；也可用于机械自润滑耐磨、微机电系统、飞机表面防冰等方面。

吉林大学的研究人员使用接触角测量仪测量其表面润湿性。基于Cassie-Baxte模型，建立了猪笼草蜡区接触角与微纳结构参数的数学模型。此外，通过模板成型面的摩擦试验揭示了猪笼草的减摩机理，并通过蚂蚁滑动试验解释了猪笼草的防粘规律。最后，在上述研究成果的基础上，采用激光仿生耦合技术、阳极氧化和等离子体处理技术制备了仿生减摩功能表面，并通过摩擦磨损试验研究了仿生表面在不同润滑介质中的摩擦学特性。采用激光仿生耦合技术在4 5 #钢表面制备了7种不同间距的蜡状微结构表面，然后通过阳极氧化和等离子体处理技术进行化学修饰和二次纳米结构构建，制备了具有超疏水和超亲水特性的仿生表面。

北航的张鹏飞空进行了深入研究，利用猪笼草的超润滑表面来解决载能微创器械的表面粘附问题。以微创器械常用的不锈钢为基础，首次制备了耐高温性能优异的超湿表面。

2015年，广东工业机器人及相关智能装备产值已超过500亿元。未来三年，将建成3-5个各具特色的机器人产业基地。减速器占工业机器人成本的38%，中/重载机器人制造中RV减速器市场90%以上依赖进口。目前，基于猪笼草水滴定向输送原理的仿生微结构设计已应用于RV减速器和涂布辊，成功延长了上述国产关键仪器和部件的使用寿命，提升了我国工业装备和高新技术的突破和自主研发生产能力。

图4基于水滴反向传输原理的应用。

(RV减速器和涂层辊)

五

未来前景

利用这些原理制作人工系统，可用于农业滴灌、无外力的微量药物输送等领域。现在运水一般都是先把水抽到高处，再利用重力往下走。通过设计和制造模仿口边缘区域的结构，我们可以从低到高。姜磊院士指出:“仿生研究的最终目的在于应用。水是在猪笼草的嘴边缘区域运输的。如果人类想要应用这种生物功能，他们不仅需要运输水，还需要运输油或其他液体物质。”相信基于猪笼草内部液滴定向输送原理的工程应用将在国民生活的主要领域如制造业和农业中大放异彩。

参考

[1]，，，张，，刘洪亮，应江，，韩；姜磊。猪笼草开口表面水分的连续定向输送。大自然。(2016).532: 85-89.

[2]艾米丽·罗迪格。超级光滑包装的新方法旨在减少食物浪费。https://phys . org/news/2018-08-approach-super-slipping-packaging-aims . html。

[3]黄鞠-宾。食肉植物猪笼草的减摩机理及仿生制剂研究。2018。

[4] Bauer U，Bohn H F，Federle W .无害的蜜源或致命的陷阱:猪笼草水罐

被雨水、冷凝物和花蜜激活。伦敦皇家学会会报B:生物科学。2008 275(1632): 259-265.

[5] Gorb E V，Gorb S N .食肉植物猪笼草(猪笼草科)水罐中功能表面的物理化学性质[J].植物生物学。2006, 8(06): 841-848.

[6]黄铁生，康树海，唐树群，等.具有压力稳定全仿生自修复光滑表面[J].自然，2011，477(7365 ): 443。

[7]https://dp.pconline.com.cn/dphoto/list_3391296.html

稿件|强振锋

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资料来源:中国科学院高能研究所