【集中】执着钻研 交叉立异 揭破“猪仔笼”在生物创制中的奥秘

执着钻研 交叉创新 揭示“猪笼草”在生物制造中的奥妙

编者按:
2016年4月7日,世界顶级期刊《Nature》在线发表了北航机械工程及自动化学院陈华伟教授、张德远教授、化学与环境学院江雷院士等的研究成果
“Continuous directional water transport on the peristome surface of
Nepenthes
alata”。这是《Nature》刊发的我国高校机械工程学科领域的首篇成果,该研究从认知自然、师法自然出发,揭示自然生物原型体表表面单方向液体搬运新现象,开创性地提出了无动力自润滑防粘新理念,对解决微创手术器械防粘技术难题具有重要参考价值。新华社、《光明日报》、《科技日报》、《中国日报》网、科学网等十余家媒体进行了采访报道。特转载部分媒体报道,以飨读者。

——访在《Nature》在线刊发最新成果的北航科研团队

新华社:北航科学家“猪笼草”研究新发现有望解决微创手术机械防粘难题

记者 王晴

新华社2016年4月8日报道:北航科学家“猪笼草”研究新发现有望解决微创手术机械防粘难题

2016年4月7日,世界顶级期刊《Nature》在线发表了我校机械工程及自动化学院陈华伟教授、张德远教授团队的最新研究成果
“Continuous directional water transport on the peristome surface of
Nepenthes alata”。消息传来,引起社会热切关注和媒体的广泛报道。

新华社北京4月8日电国际权威科学期刊《自然》杂志7日刊载一项最新研究成果显示:北京航空航天大学科学团队揭示了猪笼草表面结构的液体定向搬运现象,开创性地提出了无动力自润滑防粘新理念,对解决微创手术器械防粘技术难题具有重要参考价值,还有望应用于机械类润滑、无人机表面防冰等。

明媚的午后,记者如约在张老师的办公室见到了该研究的四位主要作者:张德远教授、陈华伟教授、博士生张鹏飞、博士生张力文。几句简单的介绍后,张老师微笑着谈起他们的研究。

长久以来,人们发现,猪笼草口沿区在湿润环境下可显现出超滑特性,使昆虫很难驻足,常会因“失足”滑落而被捕食。为了实现微创医疗器械表面“超滑防粘”的目标,北航机械工程及自动化学院陈华伟、张德远教授以及化学与环境学院江雷院士等,针对猪笼草口沿区微观结构特征深入研究,首次发现该区域液体定向搬运的神奇现象,“滴上水后,水滴都自动往同一个方向跑”。

威尼斯官方网站登录 1张德远教授团队在实验室

陈华伟教授表示,通过液体、气体在猪笼草口沿区微观流动的动态观测,他们揭示了该区域表面液体定向搬运机理,以及亲水、疏水特性对这种搬运能力的影响规律,为此项研究的仿生设计与生物制造打下了技术基础。

水可以倒着流:小小猪笼草的奇妙启示

这项研究成果有望应用于机械类润滑、新能源及医疗器械表面防粘、无人机表面防冰等。例如,目前在微创手术中,电刀在高温下接触人体组织总会出现“粘刀”现象,需要在手术中频繁换刀洗刀,这成为微创手术中的一大难题。“此次研究的新发现,有望成为精准医疗的新突破,将有助于提升微创手术效率,避免因‘粘刀’问题延长手术时间。”陈华伟说。

“你知道猪笼草吧?”见记者稍显迷惑,张德远教授笑着说,“猪笼草是一种生活在旧大陆热带地区的植物,它有着湿润的‘嘴唇’,当昆虫在其‘嘴唇’表面爬行时,常常会‘失足’滑落进捕虫笼内。我们通过深入表征分析猪笼草口缘区微观结构特征,惊奇地发现,液体在猪笼草口缘能够沿着单一方向快速搬运,从而首次发现液膜单方向搬运的神奇现象。也就是说,在猪笼草的口缘区,水可以从低往高流。”

《光明日报》:《自然》在线首次刊发我高校机械工程学科成果
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张德远教授说,课题组在《Nature》上发表的研究,是从认知自然、师法自然出发,揭示自然生物原型体表表面单方向液体搬运新现象,开创性地提出了无动力自润滑防粘新理念,对解决微创手术器械防粘技术难题具有重要参考价值。

《光明日报》2016年4月8日“教科新闻”版报道《自然》刊发北航教授仿生表面重要研究进展:《自然》在线首次刊发我高校机械工程学科成果

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本报北京4月7日电
《Nature》在线7日刊发了北航机械工程及自动化学院教授陈华伟等的研究成果“Continuous
directional water transport on the peristome surface of Nepenthes
alata”。这是自然在线刊发的我国高校机械工程学科首篇成果。

一直以来,各国科学家们对猪笼草类叶片形貌做了大量微观表征,对其表面微纳结构特征也有一些了解。但是,很多研究仅仅局限在微观结构表征上,很少涉及到表面结构特征与液体介质间微观尺度上的作用机制研究。而猪笼草口缘区液膜单方向搬运的神奇现象,是张德远教授团队以微创医疗器械表面超滑防粘为目标导向,首次揭示的。

陈华伟教授表示,该成果揭示自然生物原型体表表面单方向液体搬运新现象,为仿生设计与生物制造打下了技术基础。可直接用于自润滑、新能源,以及医疗器械表面防粘、无人机表面防冰等。

研究团队通过液体、气体在界面上微观流动的动态观测,揭示了单方向液膜搬运机理,提出了基于梯度楔形盲孔、梯度拱形边缘的单方向液膜搬运表面的仿生设计新方法;通过对比试验,进一步发展了传统泰勒毛细升理论,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;同时,基于生物复制成形方法实现了逼真形貌的转移制造,揭示了表面亲水、疏水特性对单方向液膜搬运能力的影响规律,为仿生设计与生物制造打下了技术基础。

《科技日报》头版:猪笼草口缘区液体单向运动现象揭示
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“我们的研究,就是利用大自然的现象,在细微方寸中,得到启示。这篇文章,是我国高校机械工程学科领域首篇在《Nature》在线发表的文章。”张教授无不自豪地说道。

《科技日报》2016年4月8日头版“最新发现与创新”栏目报道《Nature》刊发北航教授仿生表面重要研究进展:猪笼草口缘区液体单向运动现象揭示

据悉,研究成果可直接用于各个领域,例如医工结合方面,解决微创手术在高温环境下粘刀问题,进行无耗能‘水膜’补充,提高手术效率,也就是说,这项研究大大解决了手术过程中手术刀与人体软组织的粘连问题;农业方面,解决沙漠干旱植物滴灌供水,实现长距离搬运;工业方面,实现‘自润滑’,降低结构复杂度;甚至还可应用于MEMS微流体芯片、无人机表面防冰等众多领域。

科技日报北京4月7日电
猪笼草口缘区在湿润环境下显现出超滑特性,昆虫常会“失足”滑落而被捕食。往口缘区滴一滴水,水滴不但不往下走,反而向上“跑”。我国科学家研究发现,这种奇特的定向搬运液体现象是因为其表面独特的微纳结构——楔形盲孔组成沟槽。相关研究成果7日被《自然》杂志在线发表,这也是该杂志首次刊发我国高校机械工程学科领域成果。

崎岖科学道路上的探问之道

论文第一作者、北航机械工程及自动化学院陈华伟教授接受科技日报记者采访时说,他们的目标是做超滑防粘医疗电刀。但是这种特性的材料并不好找。他们把目光投向大自然时,无意中发现猪笼草口缘区在湿润环境下显现出超滑特性,昆虫很难驻足。“一直以来,科学家们对猪笼草类叶片形貌做了大量微观研究,对其表面微纳结构特征也有了一些了解。但是很多研究仅局限在微观结构表征上,很少涉及到作用机制研究。”陈华伟说。

张德远教授、陈华伟教授及其团队在研究仿生表面制造方面不懈探索20余年,单就对猪笼草口缘区的研究也已持续2年多。“一路走来有过挫折和失败,也曾有过犹豫不决的时候,但是,我们从未想过放弃,我们的目标,很明确。”陈华伟教授笃定地说。

陈华伟和团队成员深入研究了猪笼草口缘区微观结构特征,首次发现液膜单方向搬运的神奇现象,提出了基于梯度楔形盲孔、梯度拱形边缘的单方向液膜搬运表面的仿生设计新方法,同时基于生物复制成形方法实现了逼真形貌的转移制造,揭示了表面亲水、疏水特性对单方向液膜搬运能力的影响规律,为仿生设计与生物制造打下了技术基础。

在研究过程中,很多结果仅仅依靠实验室现有的设备是无法验证的。面对这种情况,张德远教授自筹经费,拿出近二十万元为实验室购买新设备。

陈华伟告诉记者:“单方向液膜搬运无需动力且可实现坡度搬运,研究成果可直接用于自润滑、MEMS以及医疗器械表面防粘、无人机表面防冰等。”目前他们已经将相关成果应用到手术刀上,下一步将着力解决大面积应用。

然而,具备实验条件却并不一定能得到好的实验结果,还需要团队所有人员的不懈探索与努力。

《中国日报》网:《Nature》刊发北航教授仿生表面重要研究进展

团队的精诚合作是打开科学大门的钥匙。在采访中,四位主要作者一致表示,成功离不开每一个人的付出。在前前后后2年多的研究探寻中,正是因为有张德远教授的高瞻远瞩、陈华伟教授的悉心指导、博士生张鹏飞的严谨与创新、以及博士生张力文的大量实验配合,还有40余名团队成员的“心往一处想、智往一处谋、劲往一处使”,才有了今天的科研硕果。

《中国日报》网2016年4月7日报道:《Nature》刊发北航教授仿生表面重要研究进展

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中国日报4月7日电
2016年4月7日,世界顶级期刊《Nature》在线发表了北航机械工程及自动化学院陈华伟教授、张德远教授、化学与环境学院江雷院士等的研究成果
“Continuous directional water transport on the peristome surface of
Nepenthes
alata”。这是《Nature》刊发的我国高校机械工程学科领域的首篇成果,该研究从认知自然、师法自然出发,揭示自然生物原型体表表面单方向液体搬运新现象,开创性地提出了无动力自润滑防粘新理念,对解决微创手术器械防粘技术难题具有重要参考价值。

两位教授认为,要想在科学崎岖的山路上看到无限风景,除了应具备愚公移山式的奋斗精神外,在当今社会,利用好学科交叉融合非常必要。团队在得到了对于猪笼草研究的总体结果之后,陈华伟教授带着研究结果与我校化学与环境学院江雷院士进行了深入交流与沟通。通过与江雷院士近半年的不断思维交叉碰撞、深入讨论之后,研究成果才得以渐渐显现。

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“正是机械工程学科不断与化学、生物制造等领域的交叉融合,才让思维的火花不断迸发。大家齐心协力,共同通过自然现象揭示本质,才使研究获得最后成功”,张德远教授一再强调。

通过微纳结构与材质的控制来赋予表面新功能,即表面功能化技术,已逐渐成为解决机械领域工程技术难题的重要途径,如减阻、防污、防菌。尤其,自然生物经数亿万年优胜劣汰,逐渐进化形成了许多具有优势功能的微纳表面结构,这些优势功能体表机理的认知与发现往往会给人类创新设计提供灵感,引起重大技术突破。

在大家的执着努力下,“生物制造”这一前沿交叉方向得到了各方的认可和支持。在研究过程中,国家基金委机械学科的王国彪主任、赖一楠主任对研究方向进行了悉心指导,学校和学院在已经很紧张的办学条件下,挤出独立的实验空间为这个实验室创造条件,并在人才引进、生源配比等方面倾斜支持,同时研究生院的交叉学科奖励博士生计划、博士生创新基金计划也对该研究方向十分青睐。张教授表示,这一成果是在各方支持下大家共同努力取得的。

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师徒合力 为梦想执着奋斗

猪笼草口缘区在湿润环境下显现出超滑特性,昆虫很难驻足在口缘区,常会“失足”滑落而被捕食。一直以来,科学家们对猪笼草类叶片形貌做了大量微观表征,对其表面微纳结构特征也有了一些了解。然而很多研究仅局限在微观结构表征上,很少涉及到表面结构特征与液体介质间微观尺度上的作用机制研究。微纳结构表面作为气、液、固等介质间的相互作用界面,其微观结构特征势必会影响界面上气体、液体的微观流动,引起新功能的产生。

威尼斯官方网站登录,张鹏飞,一名土生土长纯“校产”的北航本硕连读的直博生,是该项研究的共同第一作者,也是我校第一个在《Nature》上发表论文的在读博士生。

陈华伟等以微创医疗器械表面超滑防粘为目标导向,深入表征了猪笼草口缘区微观结构特征,首次发现液膜单方向搬运的神奇现象;通过液体、气体在界面上微观流动的动态观测,揭示了单方向液膜搬运机理,提出了基于梯度楔形盲孔、梯度拱形边缘的单方向液膜搬运表面的仿生设计新方法;通过对比试验,进一步发展了传统泰勒毛细升理论,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;同时,基于生物复制成形方法实现了逼真形貌的转移制造,揭示了表面亲水、疏水特性对单方向液膜搬运能力的影响规律,为仿生设计与生物制造打下了技术基础。单方向液膜搬运无需动力且可实现坡度搬运,研究成果可直接用于自润滑、MEMS、新能源,以及医疗器械表面防粘、无人机表面防冰等。

张力文,一名同样优秀的直博生。在校期间,以学生第一作者身份在ACS Applied
Materials&Interfaces发表论文一篇,于2014年提前攻读博士学位。

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