理大研究揭示由生物啟發的液體流動控制機理 冀為流體動力學和仿生物料領域科技帶來突破

人類對自然界了解得越深入，便越能體會大自然是最偉大的工程師。過去研究認為，液體只能在具有特定液體通訊特性的物種上，沿著固定方向輸送，不能切換輸送方向。最近，香港理工大學（理大）的研究人員的研究證明了一種非洲植物，能以前所未有的方式控制水流，有關發現或許能啟發更多流體動力學和仿生物料領域的科技突破，包括應用於需要多步驟和重複反應的可切換液體輸送工作，如微分析、醫療診斷和太陽能海水淡化等工作。研究最近已於國際科學期刊《Science》發表。

液體運輸是自然界中鮮為人知的奇跡。例如喬木每天都需要將大量水分從根部輸送至長在最高處的葉子，而整個過程都是默默完成。某些蜥蜴和植物通過毛細管作用進行水引導。在水源稀缺的沙漠，善用水分尤為重要，因此，某些甲蟲能捕捉霧水，再以化學梯度將水引往背部。

科學家素來努力嘗試加強和掌握人類的液體定向移動能力。微流體、集水和傳熱等各種應用均有賴水或其他流體以不同規模進行有效的定向輸送。雖然上述物種讓我們從大自然取得靈感，但僅限於單向地移動液體。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領導的研究團隊發現，納米比亞和南非的原生多肉植物青鎖龍（Crassula muscosa）可以自主選擇液體輸送方向。

理大的研究人員與香港大學和山東大學的人員合作，發現青鎖龍兩個獨立枝條被注入同一種液體後，液體會以相反的方向運輸。液體在其中一個枝條只流往枝尖，而另一枝條則把水流直接引往青鎖龍的根部。青鎖龍在乾旱多霧的環境下生長，儲存水分並將其輸送到選定方向可謂青鎖龍的命脈。

由於枝條保持橫向，因此可以排除重力是輸送方向具選擇性的原因。相反，青鎖龍與別不同的特性源於枝條上滿佈細小的葉子。這些小葉子也稱為「鰭」，輪廓非常獨特，主體呈向後狀，外型有如鯊魚鰭，葉身漸幼，葉尖指向植物的頂端。這種不對稱形狀是青鎖龍可以選擇性地定向輸送液體的重要因素，關乎對液體頂部的彎液面的操縱。

具體來說，關鍵在於不同枝條上鰭狀葉片之間的細微差異。當一排排鰭狀葉片向植物頂端屈曲，枝條上的液體也會朝該方向流動。然而，假如枝條上的鰭狀葉的外型靠上，那麼儘管枝條仍然指向植物頂端，液體也會反向流往根部。流動方向取決於枝條和鰭狀葉片兩側之間的角度，由其控制彎液面施加在水滴上的力，這樣會阻止其中一個方向的流動再令其向另一方向傳送。

團隊憑藉對青鎖龍如何引導液體流動的了解，創製了一種人工模型。他們利用3D打印製成鰭狀葉片，名為「C. muscosa-inspired arrays」（由青鎖龍啟發的序列，簡稱CMIA），能夠模擬青鎖龍的斜向葉片來控制液體流動的方向。雖然天然植物枝條上的鰭狀葉片不能移動，但團隊巧妙地利用磁性材料讓人工CMIA能夠隨意改變方向。只需施加磁場，就可以逆轉流經CMIA的液體流動。這套模型為於工業和實驗室環境中沿動態變化路徑輸送液體變得可能。另一方面，只要改變鰭狀葉片之間的間距便可以令水流改變方向。

CMIA可以惠及很多科技領域。王立秋教授表示：「流體流動的實時定向控制，將可以在微流控、化學合成和生物醫學診斷中找到新的應用。模仿生物的CMIA設計不單可以用於液體運輸，還可以在T形閥門等情況下用來混合液體。這種方法適用於多種化學物，而且可以克服某些微流控技術中出現的加熱問題。」

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