研究揭示了生物激励控制液体流动的机制

我们对自然世界的了解越多，就越发现大自然是最伟大的工程师。过去的研究认为，在具有特定液体通讯特性的物种中，液体只能在固定的方向上传输，并且不能切换传输方向

最近，香港理工大学（理大）的研究人员表明，一种非洲植物以一种以前未知的方式控制着水的运动，这可能会激发流体动力学和自然材料领域一系列技术的突破，包括需要多步重复反应的应用，如微分析、医学诊断和太阳能脱盐等。

这项研究发表在《科学》杂志上

液体运输是自然界一个不为人知的奇迹。例如，高大的树木每天都要将大量的水从根部输送到最高的叶子上，这是它们在完全安静的情况下完成的。一些蜥蜴和植物通过毛细血管输送水分。在沙漠中，充分利用稀缺的水分至关重要，一些甲虫可以捕捉雾传播的水，并利用化学梯度将其引导到背部

科学家们长期以来一直在努力提高人类定向移动液体的能力。微流体、水收集和热传递等多种应用取决于水或其他流体在小尺度或大尺度上的有效定向传输

尽管上述物种提供了基于自然的灵感，但它们仅限于在单一方向上移动液体。由彭慈善基金会智能与可持续能源教授、理大机械工程系热流与能源工程讲座教授王立秋教授领导的研究小组发现，原产于纳米比亚和南非的多肉植物负鼠可以向特定方向输送液体

理大的研究人员与香港大学和山东大学的同事一起注意到，当植物的两个单独的芽注入相同的液体时，液体会朝相反的方向输送

在一种情况下，液体只流向顶端，而另一种则直接流向植物根部。考虑到C.muscosa生活的干旱但多雾的条件，捕获水并将其输送到选定方向的能力是该植物的生命线

由于嫩芽是水平放置的，可以排除重力是选择性运输方向的原因。相反，这种植物的特殊特性源于其嫩芽上的微小叶子

也被称为“鳍”，它们有一个独特的轮廓，向后扫的身体（类似于鲨鱼的鳍）逐渐变细，末端指向植物的尖端。这种形状的不对称性是C.muscosa选择性定向液体传输的秘密。这一切都与操纵弯液面有关，弯液面是液体顶部的弯曲表面

具体来说，关键在于不同芽的鳍形状之间的细微差异。当一排排翅片向尖端急剧弯曲时，喷口上的液体也会朝着这个方向流动。然而，对于鱼鳍虽然仍然指向顶端，但轮廓更向上的嫩芽，其运动方向反而指向根部

流动方向取决于喷射体和翅片两侧之间的角度，因为这些角度控制着弯月面施加在液滴上的力——阻挡一个方向的流动，并将其发送到另一个方向

有了对植物如何引导液体流动的理解，该团队创建了一个人工模拟物。这些3D打印的鳍被称为CMIA，用于“受C.muscosa启发的阵列”，其作用就像C.muscosa倾斜的叶子，控制液体流动的方向

聪明的是，虽然天然植物枝条上的鳍是不动的，但人工CMIA使用磁性材料可以随意重新定向。只需施加磁场，就可以使流经CMIA的液体反向流动

这为液体在工业和实验室环境中沿着动态变化的路径传输开辟了可能性。或者，可以通过改变翅片之间的间距来改变流动方向

许多技术领域都将受益于CMIA。王教授说：“流体流动的实时方向控制在微流体、化学合成和生物医学诊断中有应用。模仿CMIA的生物学设计不仅可以用于输送液体，还可以用于混合液体，例如在T形阀中。

”该方法适用于一系列化学品，并克服了其他一些微流体技术中存在的加热问题。p