西南科大微纳仿生系统与智能化团队：受荻草叶保水功能启发，开发一种具有“即插即用”式高效集水灌溉装置

随着人类社会的不断发展，水资源短缺问题是绕不开的一大重点难题。要解决水资源的短缺，需要从开源、节流两方面进行思考，除了提高净水的获取量外，提高水的利用和储存效率也是重要解决途径之一。根据世卫组织报道，全球每年农业用水占据了全球每年净水资源使用量的70%以上。如我国这种农业大国，农业用水占全国总用水量的6成，与之相对的生活用水占比仅为15%，而农业用水的利用效率却仅有50%左右，构成了全国总体净水资源浪费的主体。目前，研究者们为了获取更多水资源而设计制备的多种多样的从大气中提取水分的水雾收集装置，但仅仅停留在“开源”而少有考虑“节流”。面对实际用水过程中的储存、运输以及蒸发流失等问题往往需要额外的供能或添置辅助设备，过程繁琐，效率低下。

近日，西南滚球体育 大学李国强教授领衔的微纳仿生系统与智能化研究团队与天津大学化工学院的曹墨源教授合作，受荻草叶鞘依靠三维结构及非对称润湿性实现的长效储水能力启发，研究制备了一种“即插即用”式保水型集水灌溉装置，能直接装备于植物茎、杆之上并以较低的蒸发率持续存储水分用以灌溉植物。经过对多种成熟仿生结构的复合优化设计，成功实现了3.34 mg/cm²/s的高收集效率。同时，通过对该集水灌溉装置模型的风场仿真，以及对应参照组的对比实验，验证了在真实环境下自然风场（风速约2-3米每秒）中，装有该装置的植物表面保水能力相比裸露的植物表面提升200%以上。这项工作为设计用于实际植物灌溉的实用型水雾收集器开辟了一条新途径，并在保水储水、提高用水效率方面探索了一种新颖的设计策略。

受荻草叶鞘通过结构形貌与内外润湿性差异组成的储水腔体启发，基于对仙人掌刺以及瓶子草纤毛的高效水雾收集原理的复合设计，利用飞秒激光微纳精密制造技术与传统折纸工艺的结合，采用柔性铝箔构建了“王冠状”集水装置，实现了360°全方向水雾收集功能以及储水功能。

通过在锥形结构表面构建具有多级沟槽的超亲水微流道，并辅以与流道具有润湿性差的棘刺阵列，作者构建了依靠润湿性差、毛细力与拉普拉斯压力差共同驱动微液滴的高效集水模块。同时，对环状结构内壁构建了超亲水的储水微槽阵列，仿造自然叶鞘的三维结构与润湿性梯度共同作用机理实现对水分的抗蒸发长期储存。通过对多种不同微结构及表面润湿性的对比实验，推导并优化了水雾收集结构、定向输运结构以及储水抗蒸发结构的理论模型，总结了相关机理。

得益于该装置的柔性与设计的接口，研究者将多个集水灌溉装置组合安装后，构建了大尺度的水雾收集阵列和植物茎杆外包覆的灌溉系统，并对其在雾流下的水收集性能以及在真实植物外表面的保水灌溉能力进行了实验，展现了该装置的可组合、可拓展性以及在实际应用场合下的实用性。

小结

综上所述，通过对荻草叶鞘的储水机理进行研究分析，作者设计制备了一种植物可穿戴式抗蒸发型水雾收集器，在水雾收集的同时，不依赖额外供能与添加其他设备而实现了将收集到的水直接进行灌溉利用并提高了用水效率。通过调整调整结构形貌以及各表面润湿性，其保水时长提高了200%。并对其水雾收集及输运保水各项功能进行了理论模型的建立与机理分析。此外，利用ANSYS Fluent软件对装置内外风场速率变化进行了理论模拟，进一步支撑保水实验的分析结果，也在实际生活需求中完成了与实验结论高度一致的应用成果。所开发的仿生“即插即用”式集水灌溉装置为进一步优化现有的水雾收集器提供了灵感。

相关研究成果以“A hierarchical origami moisture collector with laser- textured microchannel array for a plug-and-play irrigation system”为题发布在国际著名期刊Journal of Materials Chemistry A上。西南滚球体育 大学微纳仿生系统与智能化团队2018级硕士生唐晓轩为第一作者，通讯作者为李国强教授、张亚斌教授、曹墨源教授。

文献链接：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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