理大研究揭示由生物启发的液体流动控制机理 冀为流体动力学和仿生物料领域科技带来突破

人类对自然界了解得越深入，便越能体会大自然是最伟大的工程师。过去研究认为，液体只能在具有特定液体通讯特性的物种上，沿着固定方向输送，不能切换输送方向。最近，香港理工大学（理大）的研究人员的研究证明了一种非洲植物，能以前所未有的方式控制水流，有关发现或许能启发更多流体动力学和仿生物料领域的科技突破，包括应用于需要多步骤和重复反应的可切换液体输送工作，如微分析、医疗诊断和太阳能海水淡化等工作。研究最近已于国际科学期刊《Science》发表。

液体运输是自然界中鲜为人知的奇迹。例如乔木每天都需要将大量水分从根部输送至长在最高处的叶子，而整个过程都是默默完成。某些蜥蜴和植物通过毛细管作用进行水引导。在水源稀缺的沙漠，善用水分尤为重要，因此，某些甲虫能捕捉雾水，再以化学梯度将水引往背部。

科学家素来努力尝试加强和掌握人类的液体定向移动能力。微流体、集水和传热等各种应用均有赖水或其他流体以不同规模进行有效的定向输送。虽然上述物种让我们从大自然取得灵感，但仅限于单向地移动液体。理大潘樂淘慈善基金智慧及可持續發展能源教授、機械工程學系熱流體與能源工程講座教授王立秋教授领导的研究团队发现，纳米比亚和南非的原生多肉植物青锁龙（Crassula muscosa）可以自主选择液体输送方向。

理大的研究人员与香港大学和山东大学的人员合作，发现青锁龙两个独立枝条被注入同一种液体后，液体会以相反的方向运输。液体在其中一个枝条只流往枝尖，而另一枝条则把水流直接引往青锁龙的根部。青锁龙在干旱多雾的环境下生长，储存水分并将其输送到选定方向可谓青锁龙的命脉。

由于枝条保持横向，因此可以排除重力是输送方向具选择性的原因。相反，青锁龙与别不同的特性源于枝条上满布细小的叶子。这些小叶子也称为「鳍」，轮廓非常独特，主体呈向后状，外型有如鲨鱼鳍，叶身渐幼，叶尖指向植物的顶端。这种不对称形状是青锁龙可以选择性地定向输送液体的重要因素，关乎对液体顶部的弯液面的操纵。

具体来说，关键在于不同枝条上鳍状叶片之间的细微差异。当一排排鳍状叶片向植物顶端屈曲，枝条上的液体也会朝该方向流动。然而，假如枝条上的鳍状叶的外型靠上，那么尽管枝条仍然指向植物顶端，液体也会反向流往根部。流动方向取决于枝条和鳍状叶片两侧之间的角度，由其控制弯液面施加在水滴上的力，这样会阻止其中一个方向的流动再令其向另一方向传送。

团队凭借对青锁龙如何引导液体流动的了解，创制了一种人工模型。他们利用3D打印制成鳍状叶片，名为「C. muscosa-inspired arrays」（由青锁龙启发的序列，简称CMIA），能够模拟青锁龙的斜向叶片来控制液体流动的方向。虽然天然植物枝条上的鳍状叶片不能移动，但团队巧妙地利用磁性材料让人工CMIA能够随意改变方向。只需施加磁场，就可以逆转流经CMIA的液体流动。这套模型为于工业和实验室环境中沿动态变化路径输送液体变得可能。另一方面，只要改变鳍状叶片之间的间距便可以令水流改变方向。

CMIA可以惠及很多科技领域。王立秋教授表示：「流体流动的实时定向控制，将可以在微流控、化学合成和生物医学诊断中找到新的应用。模仿生物的CMIA设计不单可以用于液体运输，还可以在T形阀门等情况下用来混合液体。这种方法适用于多种化学物，而且可以克服某些微流控技术中出现的加热问题。」

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