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时间：2016年4月11日

来源：国家自然科学基金委

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2016年4月7日，Nature在线发表了北京航空航天大学陈华伟教授、张德远教授和江雷研究员等的合作研究成果。该研究揭示了生物体表面结构无动力液膜搬运现象的原理，为机械表面/界面的仿生设计与生物制造奠定了理论与技术基础。

　2016年4月7日，Nature在线发表了北京航空航天大学陈华伟教授、张德远教授和江雷研究员等的合作研究成果“Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata”（猪笼草口缘区表面液膜连续定向搬运机制）。该研究揭示了生物体表面结构无动力液膜搬运现象的原理，为机械表面/界面的仿生设计与生物制造奠定了理论与技术基础。论文连接：http://www.nature.com/nature/journal/v532/n7597/full/nature17189.html

　　翼状猪笼草（学名：Nepenthes alata），又名红瓶猪笼草，是菲律宾特有的热带“食虫植物”，其口缘区在湿润环境下显现出优异的湿滑特性，昆虫很难驻足在口缘区，常会“失足”而滑落至捕虫笼内而被捕食（图1）。这一奇特生物现象吸引了科学家的兴趣，但前期研究大多集中在如何模仿猪笼草类叶片湿滑特征，尚未对其表面润湿特征进行揭示。

　　研究团队深入分析了猪笼草口缘区表面微观结构上的液膜铺展过程，首次发现液膜定向连续搬运的神奇现象，提出了梯度泰勒毛细升、闭口梯度泰勒毛细升理论计算模型，揭示了液膜定向连续搬运机理（图2），发展了传统泰勒毛细升理论。进一步研究了表面亲水、疏水特性对液膜定向搬运能力的影响规律，提出了基于楔形盲孔正向搬运、拱形边缘反向阻止的液膜定向连续搬运仿生机械表面/界面设计原理，基于生物复制成形方法实现了逼真形貌的转移制造。研究成果可应用于医疗器械、MEMS、航空航天等装备的表面/界面自润滑、抗磨损、防粘附等。

　　该研究得到了国家自然科学基金重大项目（51290292），面上项目（51175020、51475029）等的资助。

附：

中国科学家揭示猪笼草“油嘴滑虫”机制
无功耗、远距离、微输送

科学网

菲律宾特有“食肉植物”猪笼草吃虫子众所皆知，但其“嘴唇”即口缘区，在湿润环境下，不需要外部能源推动即可输送液体的奇特现象，被北京航空航天大学和中科院理化所研究团队发现。合作团队还通过解析猪笼草“嘴唇”的微观结构，揭示猪笼草“油嘴滑虫”液膜自动搬运液体、致使昆虫无法驻足而滑落入笼的机理，并建立了液膜输运的理论计算模型。

这项有趣的研究成果以“猪笼草口缘区表面水的连续定向输运机制”为题，于4月7日在线发表在《自然》上。

据悉，模拟猪笼草“嘴唇”研制润滑材料，哈佛大学曾有研究，而猪笼草“嘴唇”为何能长时间保水储水保持湿润？科学界还不曾有深入探究。

在国家自然科学基金重大项目《精准微创手术器械创成与制造基础》、《超浸润表面材料项目群》等的支持下，长期从事化学仿生学研究的中科院院士江雷和北京航空航天大学开展仿生微纳制造研究的教授张德远、陈华伟走到了一起。自2013年开始，他们共同对猪笼草“嘴唇”的微观结构与功能及其成分之间有何种关联，展开了研究。

在实验中，张德远、陈华伟团队发现，猪笼草“嘴唇”具有连续搬运能力是其保证湿滑，让昆虫类动物站不住脚的根源。在此发现基础上，合作团队模拟猪笼草口缘区表面结构进行了压印成形，成功复制了猪笼草口缘区的工作机制，使生物功能转移制造成为现实。江雷团队则在理论上进一步给与提升，对这一现象进行了数学分析计算和模型建立，使人类广泛应用猪笼草“嘴唇”的功能成为可能。

“仿生研究的最终目的在于应用。猪笼草口缘区输运的是水，人类若想应用这种生物功能，需要运送的除了水，还可能是油，或其他液体物质的输送，这就需要建立理论基础。”江雷指出。

学术界不少人明白，这项成果发展了传统的泰勒毛细升理论。这一成果不仅仅是一项新的重要发现，且因仿生设计制造成功和理论模型的建立，应用前景将不可估量。

审稿专家认为，该研究令人兴奋的是，借鉴生物的精美设计，人类可巧妙地创建非常规工程解决某些难题。虽然这样的工程难以推测出形貌，但新的解决方案已闪耀着光芒。

猪笼草口缘区这种无功耗的微量输运，势必为人类在节约动力能源方面发挥诸多想象。若应用于农业生产的滴灌，包括提取地下水，将可节约大量电力能源。

陈华伟告诉记者，利用这种无外部动力输运方式能使水在水平方向上长距离搬运，原理上可无限度延伸。

实际上，合作团队已开始将这一成果推向医疗手术刀的应用。

张德远介绍，当前，国内外外科大夫在手术过程中，用载能手术刀（电刀）切割时，需要切割、止血同时完成。而这使软组织常常粘刀，手术刀在切割几次后，就需要进行清洗，不仅延长了手术时间，更影响了手术的精准性，也影响患者康复，已成为一个国际性难题。为此，国家自然科学基金设立了重大项目《精准微创手术器械创成与制造基础》。合作研究人员效法猪笼草“嘴唇”谋求解决手术粘刀问题，在手术刀上应用类似猪笼草‘嘴唇’的滑膜，将有可能让手术刀在切割中不再粘连软组织。相关技术合作团队已申请专利。