西南科大微納仿生系統與智能化團隊：受荻草葉保水功能啟發，開發一種具有“即插即用”式高效集水灌溉裝置

隨著人類社會的不斷發展，水資源短缺問題是繞不開的一大重點難題。要解決水資源的短缺，需要從開源、節流兩方面進行思考，除了提高凈水的獲取量外，提高水的利用和儲存效率也是重要解決途徑之一。根據世衛組織報道，全球每年農業用水占據了全球每年凈水資源使用量的70%以上。如我國這種農業大國，農業用水占全國總用水量的6成，與之相對的生活用水占比僅為15%，而農業用水的利用效率卻僅有50%左右，構成了全國總體凈水資源浪費的主體。目前，研究者們為了獲取更多水資源而設計制備的多種多樣的從大氣中提取水分的水霧收集裝置，但僅僅停留在“開源”而少有考慮“節流”。面對實際用水過程中的儲存、運輸以及蒸發流失等問題往往需要額外的供能或添置輔助設備，過程繁瑣，效率低下。

近日，西南科技大學李國強教授領銜的微納仿生系統與智能化研究團隊與天津大學化工學院的曹墨源教授合作，受荻草葉鞘依靠三維結構及非對稱潤濕性實現的長效儲水能力啟發，研究制備了一種“即插即用”式保水型集水灌溉裝置，能直接裝備于植物莖、桿之上并以較低的蒸發率持續存儲水分用以灌溉植物。經過對多種成熟仿生結構的復合優化設計，成功實現了3.34 mg/cm²/s的高收集效率。同時，通過對該集水灌溉裝置模型的風場仿真，以及對應參照組的對比實驗，驗證了在真實環境下自然風場（風速約2-3米每秒）中，裝有該裝置的植物表面保水能力相比裸露的植物表面提升200%以上。這項工作為設計用于實際植物灌溉的實用型水霧收集器開辟了一條新途徑，并在保水儲水、提高用水效率方面探索了一種新穎的設計策略。

受荻草葉鞘通過結構形貌與內外潤濕性差異組成的儲水腔體啟發，基于對仙人掌刺以及瓶子草纖毛的高效水霧收集原理的復合設計，利用飛秒激光微納精密制造技術與傳統折紙工藝的結合，采用柔性鋁箔構建了“王冠狀”集水裝置，實現了360°全方向水霧收集功能以及儲水功能。

通過在錐形結構表面構建具有多級溝槽的超親水微流道，并輔以與流道具有潤濕性差的棘刺陣列，作者構建了依靠潤濕性差、毛細力與拉普拉斯壓力差共同驅動微液滴的高效集水模塊。同時，對環狀結構內壁構建了超親水的儲水微槽陣列，仿造自然葉鞘的三維結構與潤濕性梯度共同作用機理實現對水分的抗蒸發長期儲存。通過對多種不同微結構及表面潤濕性的對比實驗，推導并優化了水霧收集結構、定向輸運結構以及儲水抗蒸發結構的理論模型，總結了相關機理。

得益于該裝置的柔性與設計的接口，研究者將多個集水灌溉裝置組合安裝后，構建了大尺度的水霧收集陣列和植物莖桿外包覆的灌溉系統，并對其在霧流下的水收集性能以及在真實植物外表面的保水灌溉能力進行了實驗，展現了該裝置的可組合、可拓展性以及在實際應用場合下的實用性。

小結

綜上所述，通過對荻草葉鞘的儲水機理進行研究分析，作者設計制備了一種植物可穿戴式抗蒸發型水霧收集器，在水霧收集的同時，不依賴額外供能與添加其他設備而實現了將收集到的水直接進行灌溉利用并提高了用水效率。通過調整調整結構形貌以及各表面潤濕性，其保水時長提高了200%。并對其水霧收集及輸運保水各項功能進行了理論模型的建立與機理分析。此外，利用ANSYS Fluent軟件對裝置內外風場速率變化進行了理論模擬，進一步支撐保水實驗的分析結果，也在實際生活需求中完成了與實驗結論高度一致的應用成果。所開發的仿生“即插即用”式集水灌溉裝置為進一步優化現有的水霧收集器提供了靈感。

相關研究成果以“A hierarchical origami moisture collector with laser- textured microchannel array for a plug-and-play irrigation system”為題發布在國際著名期刊Journal of Materials Chemistry A上。西南科技大學微納仿生系統與智能化團隊2018級碩士生唐曉軒為第一作者，通訊作者為李國強教授、張亞斌教授、曹墨源教授。

文獻鏈接：A hierarchical origami moisture collector with laser- textured microchannel array for a plug-and-play irrigation system（Journal of Materials Chemistry A, 2021, DOI:?10.1039/D0TA11975J）

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