一條無形“安全帶”讓液體在極端顛簸中穩如泰山 | 前沿動態

原文發表于 《科技導報》2025年第22期科技新聞-前沿動態

一條無形“安全帶”讓液體在極端顛簸中穩如泰山

圖片來源：攝圖網

液體晃動是容器加速度變化引起的自由液面運動，常導致液體溢出、浪費和操作效率低下，尤其給日常生活、工業運輸和實驗室安全帶來諸多挑戰。現有防晃策略，如擋板設計、泡沫填充等，在真實動態環境中效果有限，亟需一種更智能、更穩定的解決方案。

中國科學院理化技術研究所董智超、于存龍團隊從豬籠草和睡蓮等自然原型中汲取靈感，發現了表面潤濕性對流體控制的關鍵作用，提出一種“雙仿生”容器界面設計，實現了復雜動態環境下液體晃動的高效抑制與穩定控制。2025年11月14日，相關研究成果發表于

Science Advances

研究團隊通過對東南亞豬籠草捕蟲囊的系統觀察發現，其內壁上部為超疏水蠟質區，下部為親水消化區，兩者交界處形成一條“親水-超疏水界線”，可在無機械部件的情況下充當液面的“無形安全帶”，顯著降低液體晃動和溢出。風洞實驗表明，當液面處于該界線附近時，液晃幅度最小、穩定性最高。另外，自然界中睡蓮葉緣常呈現“缺角”結構，有利于水流有序匯聚與排出。研究人員將“異質浸潤性界線”和“缺角邊緣”進行協同設計，構建出具有雙重仿生特征的容器結構。

在標準振蕩測試中，普通容器在振蕩約15次后即出現明顯溢出現象，而采用雙仿生結構的容器在振蕩5000次后液體仍能保持穩定不溢出，防晃性能實現數量級提升。為貼近應用場景，團隊將該設計集成于一次性紙杯中，開展了手持行走、跑步、騎行及車輛行駛等多種工況下的系統測試。結果顯示，仿生紙杯在非規則擾動與周期性顛簸條件下均能有效抑制液面“爬杯沿”和外溢。在極端路測中，研究人員將由4層仿生紙杯搭建的“香檳塔”固定于運動型多功能汽車（SUV）車頂，以約10 km/h車速連續駛過50個交替布置的減速帶，仿生杯塔內液體溢出率為0，而普通紙杯對照組液體損失超過40%。

該研究表明，通過精細調控界面浸潤性分布與邊界幾何形貌，僅依托被動仿生結構即可在無外加能耗、無復雜機械結構的條件下實現高效“鎖液”。相關成果為化工與危險品運輸、航空航天推進劑管理、醫療與生物試劑輸運，以及日常隨行飲品包裝等領域提供了新的設計思路，也展示了仿生界面材料在服務安全與舒適需求方面的應用潛力。

Science Advance

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