新設計或讓液體運輸更安全 | 科技前線

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。

▲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。

▲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。

▲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。

▲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。

▲ 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