原文發(fā)表于 《科技導(dǎo)報》2025年第22期科技新聞-前沿動態(tài)

一條無形“安全帶”讓液體在極端顛簸中穩(wěn)如泰山

圖片來源：攝圖網(wǎng)

液體晃動是容器加速度變化引起的自由液面運(yùn)動，常導(dǎo)致液體溢出、浪費(fèi)和操作效率低下，尤其給日常生活、工業(yè)運(yùn)輸和實驗室安全帶來諸多挑戰(zhàn)。現(xiàn)有防晃策略，如擋板設(shè)計、泡沫填充等，在真實動態(tài)環(huán)境中效果有限，亟需一種更智能、更穩(wěn)定的解決方案。

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所董智超、于存龍團(tuán)隊從豬籠草和睡蓮等自然原型中汲取靈感，發(fā)現(xiàn)了表面潤濕性對流體控制的關(guān)鍵作用，提出一種“雙仿生”容器界面設(shè)計，實現(xiàn)了復(fù)雜動態(tài)環(huán)境下液體晃動的高效抑制與穩(wěn)定控制。2025年11月14日，相關(guān)研究成果發(fā)表于

Science Advances

研究團(tuán)隊通過對東南亞豬籠草捕蟲囊的系統(tǒng)觀察發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)壁上部為超疏水蠟質(zhì)區(qū)，下部為親水消化區(qū)，兩者交界處形成一條“親水-超疏水界線”，可在無機(jī)械部件的情況下充當(dāng)液面的“無形安全帶”，顯著降低液體晃動和溢出。風(fēng)洞實驗表明，當(dāng)液面處于該界線附近時，液晃幅度最小、穩(wěn)定性最高。另外，自然界中睡蓮葉緣常呈現(xiàn)“缺角”結(jié)構(gòu)，有利于水流有序匯聚與排出。研究人員將“異質(zhì)浸潤性界線”和“缺角邊緣”進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，構(gòu)建出具有雙重仿生特征的容器結(jié)構(gòu)。

在標(biāo)準(zhǔn)振蕩測試中，普通容器在振蕩約15次后即出現(xiàn)明顯溢出現(xiàn)象，而采用雙仿生結(jié)構(gòu)的容器在振蕩5000次后液體仍能保持穩(wěn)定不溢出，防晃性能實現(xiàn)數(shù)量級提升。為貼近應(yīng)用場景，團(tuán)隊將該設(shè)計集成于一次性紙杯中，開展了手持行走、跑步、騎行及車輛行駛等多種工況下的系統(tǒng)測試。結(jié)果顯示，仿生紙杯在非規(guī)則擾動與周期性顛簸條件下均能有效抑制液面“爬杯沿”和外溢。在極端路測中，研究人員將由4層仿生紙杯搭建的“香檳塔”固定于運(yùn)動型多功能汽車（SUV）車頂，以約10 km/h車速連續(xù)駛過50個交替布置的減速帶，仿生杯塔內(nèi)液體溢出率為0，而普通紙杯對照組液體損失超過40%。

該研究表明，通過精細(xì)調(diào)控界面浸潤性分布與邊界幾何形貌，僅依托被動仿生結(jié)構(gòu)即可在無外加能耗、無復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的條件下實現(xiàn)高效“鎖液”。相關(guān)成果為化工與危險品運(yùn)輸、航空航天推進(jìn)劑管理、醫(yī)療與生物試劑輸運(yùn)，以及日常隨行飲品包裝等領(lǐng)域提供了新的設(shè)計思路，也展示了仿生界面材料在服務(wù)安全與舒適需求方面的應(yīng)用潛力。

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