液體晃動普遍存在于生活與工程場景:從端著的咖啡,到車輛和飛機油箱,再到化工儲罐、醫(yī)療輸液裝置。日常溢灑只是小麻煩,但在工程系統(tǒng)中,液體晃動可能影響飛行器姿態(tài)控制,引發(fā)罐體疲勞損傷,或導致輸運過程中的氣泡和污染。
近日,中國科學院理化技術研究所研究團隊,從豬籠草和睡蓮中獲得靈感,提出一種全新的“雙仿生”防晃容器設計:無需擋板、無需機械結構、無需主動控制,僅依靠界面浸潤性的調控和結構設計,即可在復雜動態(tài)環(huán)境中顯著抑制液體晃動。
01
自然給出的雙仿生方案
傳統(tǒng)防晃常依賴擋板等內部結構,體積大、適應性差。科研團隊選擇換一條路——從液體與容器接觸的“界面”入手,并從大自然中尋找答案。
研究發(fā)現(xiàn),豬籠草捕蟲籠內壁呈現(xiàn)明顯的分區(qū):上部蠟質區(qū)為超疏水,下部消化區(qū)為親水,交界處形成一條“親水—超疏水”界線。這條界線如同“隱形安全帶”,當液面接近界線時,會受到表面張力突變帶來的“鎖定”效應影響。風洞實驗顯示,液體在界線附近液面最穩(wěn)定。
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▲具有異質浸潤性邊界的豬籠草結構及風洞實驗
睡蓮葉的邊緣有“缺角”結構,這一結構能夠有效耗散水流沖擊能量,提高葉片在水面上的穩(wěn)定性。
研究團隊將豬籠草的浸潤性界線與睡蓮的缺角結構相結合,設計出具有“親水—超疏水界線+缺角結構”的雙仿生容器。這一結構既可通過連續(xù)3D打印實現(xiàn),也能在普通紙杯上經(jīng)過簡單改造快速制備。
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▲雙仿生容器的設計示意:異質浸潤性界線+缺角結構
02
雙仿生容器實驗大考
雙仿生設計固然巧妙,但關鍵還要看它的穩(wěn)液能力如何。在振蕩測試中,普通容器在振蕩15次后,液體就開始明顯溢出;雙仿生防晃容器在同樣條件下振蕩5000次,液面仍保持穩(wěn)定,不溢出。這意味著,在完全相同的擾動下,雙仿生容器的穩(wěn)液性能實現(xiàn)數(shù)量級的提升。
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▲普通杯與雙仿生杯在振蕩測試中的對比
在真實環(huán)境中,手持雙仿生紙杯行走時液體不再溢出。在其他動態(tài)場景如跑步、騎行以及駕駛等,雙仿生容器內液體依然穩(wěn)定,表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定液晃性能。
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▲普通杯與雙仿生杯在真實場景下測試對比
最受到關注的實驗來自路測挑戰(zhàn)。研究人員用30個仿生杯搭建了一座四層香檳塔,將其固定在一輛SUV車前,以約10km/h的速度連續(xù)駛過50個交替布置的減速帶。
結果顯示,仿生杯香檳塔內液體溢出率為0,而使用普通杯搭建的對照香檳塔液體損失40%。這一極具視覺沖擊的實驗直觀驗證了仿生容器在極端條件下的穩(wěn)定性與技術可行性。
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▲ 香檳塔測試場景示意及實驗結果對比
03
防晃杯到液體安全運輸
研究表明,通過合理設計界面浸潤性和容器邊緣幾何結構,可在不耗能、無需復雜結構的前提下實現(xiàn)優(yōu)異的穩(wěn)液效果。
從應用角度看,雙仿生防晃容器的潛力遠不止一個杯子:在化工與危險品運輸中,有望用于減小罐體內液體拍擊,提高運輸安全;在航空航天中,有潛力為推進劑儲罐提供被動穩(wěn)液方案;在醫(yī)療與生物試劑輸運中,有助于降低振動帶來的氣泡和交叉污染。
在自然界,豬籠草和睡蓮早已用各自的方式“馴服”了水。現(xiàn)在,科研人員正把這些隱身在葉片和捕蟲籠里的智慧,變成可以走進生活和工程系統(tǒng)的仿生技術。
論文鏈接:
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz7099
作者:董智超、于存龍、馬潔
來源:中國科學院理化技術研究所
責任編輯:曹旸

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