本报记者 叶云彤
上班路上端着的热咖啡晃洒在通勤包上，开车时副驾的饮料因颠簸溅满杯壁，货运罐车行驶中罐内液体剧烈拍击导致罐体疲劳……生活与工程场景中，液体晃动带来的麻烦早已不是“小插曲”——仅化工运输领域，每年因液体晃击引发的罐体泄漏、设备损耗等造成的经济损失超亿元计。
日前，中国科学院理化技术研究所（下称中国科学院理化所）的研究团队，从猪笼草、睡莲两种植物中汲取灵感，研发出一种“双仿生”防晃容器，无需任何机械结构或主动控制，仅靠界面设计就能让液体在复杂动态环境中“稳如泰山”。
从自然智慧中找答案
“传统的防晃技术，要么在容器内加挡板、浮体，要么靠电子设备主动调节，前者会占用容器空间、增加重量，后者需要耗能且适应性差，在颠簸剧烈的工程场景中很容易失效。”中国科学院理化所相关负责人介绍，“我们最初尝试过优化挡板的形状和材质，但发现无论怎么调整，都无法兼顾轻量化和高稳定性，这成了研发初期的核心瓶颈。”
一次调研中，团队成员偶然注意到猪笼草的捕虫笼——这个看似普通的“捕食工具”，即便在风雨中晃动，内部的消化液也极少溢出。通过显微镜观察和表面性能测试，团队发现了关键：猪笼草捕虫笼内壁存在明显分区——上部蜡质区是超疏水材质（水滴在表面会快速滚落），下部消化区则是亲水材质（液体能紧密附着），两者交界处形成一条清晰的亲水-超疏水界线。“这条界线就像给液体装了‘隐形安全带’，当液面接近界线时，表面张力会突然变化，把液面‘钉’在固定位置，避免晃动溢出。”中国科学院相关负责人说，风洞实验进一步验证了这一发现：当液体液面处于这条界线附近时，晃动幅度比普通容器大幅降低。
仅靠界线还不够，在持续剧烈的振荡中，液体仍会产生沿容器壁爬升的现象。这时，另一种植物——睡莲的叶片结构给了团队新的启发。睡莲叶边缘有天然的缺角，雨水落在叶片上时，这些缺角能快速耗散水流的冲击能量，让叶片始终稳定浮在水面。中国科学院相关负责人介绍，团队尝试将猪笼草的亲水-超疏水界线与睡莲的缺角结构结合，设计出“双仿生”界面——容器内壁按比例设置异质浸润界线，边缘则加工出弧形缺角，既通过界线锁定液面，又靠缺角缓冲冲击。
为了让技术落地，团队还解决了制备工艺的难题。团队改进了连续3D打印技术，能直接打印出带有异质浸润层和缺角结构的容器。目前，团队已围绕双仿生结构的界面设计、制备工艺等核心技术布局了多件专利。
从日常水杯到工业重器
“双仿生”容器的价值，不仅在于解决生活里的小麻烦，更在于为工程场景的安全难题提供新方案——从掌心大小的咖啡杯，到半人高的模拟化工储罐模型，甚至还有适配航空航天推进剂的小型储罐样品。
在日常场景测试中，手持双仿生结构纸杯快步行走、上下楼梯，杯中的水仅轻微晃动，未出现任何溢洒，而相同情况下，普通纸杯中的水早已溅出杯口。
2025年底，研发团队对这一技术开展了一次路测：用30个双仿生杯搭建四层“香槟塔”，固定在一辆 SUV车头，以10公里/小时的速度连续驶过50个交替布置的减速带。最终结果显示，双仿生杯塔内液体溢出率为0，而普通杯塔的液体损失达40%。
在医疗领域，双仿生技术也展现出独特优势。输液过程中，若液体晃动产生气泡，可能引发栓塞风险，传统输液器需要额外的排气装置。而双仿生输液瓶产生的气泡量比传统输液瓶减少95%，且无须额外排气结构。
航空航天领域则是另一重要应用方向。目前，中国科学院理化所正在联合研发，专项开展双仿生结构在卫星推进剂储罐中的应用研究。针对卫星推进剂储罐兼具体积小型化、重量轻量化的设计核心要求，以及航天飞行中的特殊工况需求，双方重点探索界面设计类无机械结构防晃方案的工程化落地路径，结合航天产品的严苛技术标准，对双仿生结构的尺寸、布局等细节进行持续优化，推动技术与卫星推进剂存储系统的适配融合。
让液体储运“稳如泰山”
近年来，国内高校、企业围绕“仿生防晃”这一技术路线展开多维度探索，形成了“产学研用”协同创新的格局。例如，浙江大学研发团队聚焦荷叶的超疏水结构与水稻叶的导水特性，研发出“梯度浸润性防晃涂层”。利用荷叶表面的微纳结构能让水快速滑落，而水稻叶的纵向沟槽能引导水流方向，将两者结合的涂层涂在容器内壁，能通过“疏水+导水”双重作用抑制晃动。目前，该研发团队已将该技术应用于实验室的试剂储存瓶，相关专利已实现成果转化。
此外，中集车辆集团、迈瑞医疗等企业也布局了仿生防晃技术。中集车辆集团自主研发的仿生波纹罐壁，借鉴了鱼鳞的交错结构，罐壁的波纹设计能像鱼鳞一样缓冲液体冲击。迈瑞医疗则将仿生防晃技术融入体外诊断设备——体外诊断试剂对温度、晃动都很敏感，传统试剂仓需要复杂的减震装置。该企业研发的仿生试剂仓，在运输和使用过程中，试剂晃动幅度大幅降低，相关技术已提交了专利申请。
中国农业大学教授杨敏丽表示，目前，国内仿生防晃技术的多点突破，打破了传统机械防晃的技术垄断，“从自然中汲取灵感，通过界面设计、材料创新实现防晃，这一技术路线具有‘低成本、低能耗、高适配’的优势，符合绿色制造、安全运输的产业需求”。
“自然是最好的‘工程师’，我们要做的就是读懂自然的‘设计语言’，并将其转化为解决实际问题的技术方案。”中国科学院理化所相关负责人表示。从汲取大自然的智慧，到实验室的技术突破，再到化工、医疗、航空航天等领域的场景落地，仿生防晃技术正静静守卫着液体运输与储存的安全，让“液体运输稳如泰山”成为常态。
（编辑：刘珊 实习编辑：蔡友良）
