应用 | 仿生界面设计实现液体不洒杯

背景

液面晃动（liquid sloshing）是液体容器在动态载荷下普遍存在的物理现象，常导致溢出、浪费及操作风险。传统抑制手段如隔板、泡沫填充等，在复杂动态环境中效果有限。近期，中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心董智超研究员、于存龙工程师团队在（Science Advances, 2025）提出一种融合表面润湿性调控与结构能量耗散的双仿生策略，成功实现了接近零溢出率的液体稳定控制。

自然原型与仿生机制

研究团队从两类植物中提取关键功能特征：

• 猪笼草（Nepenthes）
  

其捕虫笼内壁存在一条清晰的亲水–超疏水（HL–SHB）过渡边界：下部消化区接触角约49°，上部蜡质区接触角达150°。野外观察与风洞实验表明，当液面位于该边界附近时，晃动幅度最小，抗风稳定性显著优于液面过高或过低的情形。

图1 (A) Nepenthes × miranda的显微CT图像显示上部为蜡质区，下部为消化区。（B） 扫描电子显微镜（SEM）图像及消化区与蜡质区交界处捕虫器内壁的接触角（CA）测量结果。

• 睡莲（Nymphaea）

其叶片边缘具有周期性缺口结构，可在水流冲击下有效耗散波动能，防止液膜爬升。

图2.睡莲的凹槽结构固定气－水界面并减缓水波冲击

上述两类机制分别对应接触线钉扎（contact line pinning）与波动阻尼（wave damping），为人工设计提供理论基础。

仿生结构构建方法

研究人员采用连续三维打印技术，结合两种功能性光敏树脂：

• 亲水树脂（HL）：静态接触角 37.6° ± 1.6°

• 超疏水树脂（SHB）：静态接触 angle 166.1° ± 2.5°，经氟化处理获得低黏附特性

通过程序化交替打印，在杯体内壁精确构筑一条位于上部区域的 HL–SHB 润湿性边界（宽度 <1 mm）。同时，在 SHB 区域集成楔形缺口阵列，缺口尺寸优化为杯体直径的 1/7，以最大化能量耗散效率。

该设计兼顾实用性与稳定性：HL 区域用于储液，SHB 缺口区位于液面上方，防止溢出。

物理机制解析

猪笼草的亲水－超疏水边界能够显著稳定液体表面，减少晃动

为了验证猪笼草边界的普适性，科研团队采集了19种猪笼草（包括印尼苏门答腊岛的野生品种和实验室培育品种），共72个样本、252个测试点。借助KRüSS Ayríís便携式3D接触角测量仪，他们精准捕捉到每一种猪笼草内壁的接触角数据，证实了亲水－超疏水边界的普遍性——蜡质区接触角稳定在150.6°左右，消化区则呈现多样化亲水特性。

图3 KRüSS Ayríís便携式3D接触角测量仪

 图4 (D) 19种猪笼草的分布图，其中三角形代表苏门答腊岛自然分布的猪笼草，正方形代表菲律宾自然分布的猪笼草，圆形代表栽培猪笼草。N表示捕虫器样本编号，n表示每个样本表面的测试次数。（E） 猪笼草邦索和猪笼草吉姆南福拉分布于苏门答腊岛。（F） 19种猪笼草润湿性差异的分布图凸显了消化区与蜡质区的对比特性。

睡莲的缺口结构能够有效耗散振动能量，增强液体稳定性

睡莲的叶片边缘被证实具有独特的凹槽结构，这种结构能够在流动或剧烈振动的水中保持极高的稳定性（图2）。受这种凹槽诱导的阻尼稳定机制启发，研究团队在HL-SHB杯的SHB部分整合了凹槽（图5D）。与天然睡莲的性能极为相似，引入阵列状凹槽结构可以在数千次振动周期内保持数小时不溢出。X射线同步辐射成像证实，稳定且高斯弯曲的水面在HL-SHB凹槽界面处形成，能够充分限制水的运动。

 图5 (D）光学和X射线成像显示了完整核单细胞HL-SHB凹槽设计中水面的运动，HL- SHB凹槽减少了晃动。

结论与展望

该研究通过精准复现自然界中润湿性边界与结构缺口的协同效应，构建了一种兼具高稳定性、强鲁棒性与工程可扩展性的液体防洒系统。其核心在于主动调控固–液界面相互作用，而非被动限制液体运动。

这项技术在航空航天领域潜力巨大，精准的流体控制对维持高速飞行中的系统稳定性至关重要。同理，减少静脉输液袋和输液系统的液体晃动，将有效提升医疗设备的患者安全性和治疗效率。 

本文有删减，详细信息请参考原文：
Ma, J. et al. Bioinspired wettability boundary stabilizes water sloshing. Sci. Adv. 11, eadz7099 (2025).