新兴技术

新研究或启发高性能储水材料的仿生学设计

非洲沙漠的沙鸡通常在距离水源约20英里的地方筑巢,以免受捕食者的侵害。 Image: Unsplash/Dhaval Vargiya

Jill Rosen
Senior Media Relations Representative, John Hopkins University
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  • Futurity报道,研究人员通过使用高分辨率显微镜和三维技术,首次展现了沙鸡羽毛的内部结构,揭示了沙鸡羽毛高容水量的秘密。
  • 研究团队预计,其发现将支持需要控制吸收、安全保留和轻松释放液体的工程设计。
  • 可能的应用包括用于收集和保留沙漠地区雾气和露水的水瓶和集水网等。

一种鸟的羽毛拥有在飞行中保存水分的不可思议能力,或许可以启发下一代吸水材料的诞生。

研究人员利用高分辨率显微镜和三维技术,拍摄了生活在沙漠的沙鸡其羽毛的独特结构,并首次揭示了沙鸡羽毛如何能够容纳如此多水分的奥秘。

该论文的合著者、约翰霍普金斯大学民用和系统工程系专攻智能材料和设计的助理教授Jochen Mueller表示:“大自然成功地创造了如此完美高效的结构来吸收和容纳水,真是令人感到着迷。从工程师的角度来看,我们认为这些研究结果可以启发新的仿生材料的研发。

非洲沙漠的沙鸡通常在距离水源20英里处筑巢,以躲避捕食者。为了将水带回炎热的巢穴,成年雄性沙鸡上演着自然界的水源搬运最佳实践:在水源处收集水,再带着水飞行回家。这是一项非常特别的壮举,因为沙鸡每次飞行约为半小时,时速达64公里/小时,飞行过程中需要携带其自身体重约15%的水,且大部分水都需要被安全地保存下来。

雄性沙鸡是已知的唯一能够这样储水的鸟,其腹部羽毛则是成功关键。

50多年前,学术界首次记录了这些非凡的腹部羽毛。而依赖于现代影像技术,这一研究团队最终向我们展示了这些羽毛的工作原理。

Mueller和麻省理工学院的Lorna J. Gibson通过运用扫描电子显微镜、微型计算机断层扫描、光学显微镜和3D录像技术,聚焦于腹部羽毛的微结构,仔细观察了细小的羽轴(每根的宽度仅相当于人类头发的宽度)及更微小的独立羽片。

该团队对羽毛图像进行了大幅放大,既观察其干燥状态,又观察其湿润状态。随后,他们进行了一项既微妙又至关重要的操作:在放大了干燥羽毛的图像后,将羽毛浸入水中然后取出,再重新浸入水中,模拟沙鸡收集水时的行为。

Mueller表示,“做这项研究操作时,你甚至都不能呼吸,否则你就会把这些羽毛吹走。”

按照Mueller的说法,一片沙鸡羽毛的结构竟然如此“壮观”,其羽毛成分及弯曲方式都经过多方优化,微小的羽片在潮湿时形成保护性的帐篷状集团,羽片内的管状结构则用于捕获水分。

单片的羽毛通过沿着羽轴附近的小羽林和末端附近卷曲的小羽片一起保持水分,就像是盖子一样。

Mueller表示,这样的细节令他们感到无比兴奋,“这就是我们需要理解的内容——只有明白了羽毛的作用机制,我们才能够基于这些原则来创建新材料。”

该团队还对沙鸡羽毛的吸水量进行了计算模拟。

Mueller和Gibson认为,他们的发现将支持需要控制吸收、安全保留和轻松释放液体的工程设计。

研究人员认为,目前可能的应用方式包括设计用于收集和保留沙漠地区水雾和露水的集水网,以及设计能防止摇晃和泼溅的水瓶。

对于水瓶或运动背包,Mueller所考虑的设计可以安全地容纳大量液体,其核心是一个羽毛状的储水系统,能够防止水在人移动时四处晃动。他认为能够做到这一点的水瓶或储水袋,会特别受跑步者的欢迎。

此外,他还设想了更易于使用的下一代医用拭子,“这种设计可以更高效地吸收并释放液体。在采集新冠病毒鼻拭子样本时,如何释放液体是一个普遍的难题”。

接下来,该研究团队计划使用3D打印技术制作出类似的结构,并探索其可能的商业应用。

在该研究中使用的沙鸡腹部羽毛来自于哈佛大学比较动物学博物馆的一只成年雄性南非沙鸡(Pterocles namaqua)。

这项研究发表在《英国皇家学会界面杂志》上,并由美国国家科学基金会资助。

本文作者:

Jill Rosen,约翰霍普金斯大学高级媒体关系专员

本文与Futurity联合发布,原载于世界经济论坛Agenda博客,转载请注明来源并附上本文链接。

翻译:陈达铿

编辑:江颂贤

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