新华社、《光明日报》等多家媒体关注《Nature》刊发北航教授仿生表面重要研究进展

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。

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

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

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。

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”。

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。

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。

《光明日报》:《自然》在线首次刊发我高校机械工程学科成果
威尼斯官方网站登录 1

《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

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。

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。

《科技日报》头版:猪笼草口缘区液体单向运动现象揭示
威尼斯官方网站登录 2

《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

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。

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。

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。

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。

《中国日报》网:《Nature》刊发北航教授仿生表面重要研究进展

《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

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。

威尼斯官方网站登录 3

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。

威尼斯官方网站登录 4

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。

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。

威尼斯官方网站登录 5

威尼斯官方网站登录,北京航空航天大学是该研究的第一完成单位,机械工程及自动化学院仿生与微纳技术研究中心张德远教授是文章的第一通讯作者,陈华伟教授是文章的第一作者和通讯作者,2013级博士生张鹏飞是文章的第一学生作者和共同第一作者。该研究还得到了文章通讯作者北航化学与环境学院江雷院士,以及中科院理化所和吉林大学等单位的合作帮助。

该研究得到了国家自然科学基金重大项目“精准微创手术器械创成与制造基础”的子课题“仿生界面的设计与制造基础研究”的资助。此外,还得到其他国家自然科学基金项目以及北京航空航天大学博士研究生创新基金的资助。

威尼斯官方网站登录 6

科学网:中国科学家揭示猪笼草“油嘴滑虫”机制

科学网2016年4月8日报道《自然》刊发北航教授仿生表面重要研究进展:中国科学家揭示猪笼草“油嘴滑虫”机制
无功耗、远距离、微输送

威尼斯官方网站登录 7

菲律宾特有“食肉植物”猪笼草吃虫子众所皆知,但其“嘴唇”即口缘区,在湿润环境下,不需要外部能源推动即可输送液体的奇特现象,被北京航空航天大学和中科院理化所研究团队发现。合作团队还通过解析猪笼草“嘴唇”的微观结构,揭示猪笼草“油嘴滑虫”液膜自动搬运液体、致使昆虫无法驻足而滑落入笼的机理,并建立了液膜输运的理论计算模型。

这项有趣的研究成果以“猪笼草口缘区表面水的连续定向输运机制”为题,于4月7日在线发表在《自然》上。

据悉,模拟猪笼草“嘴唇”研制润滑材料,哈佛大学曾有研究,而猪笼草“嘴唇”为何能长时间保水储水保持湿润?科学界还不曾有深入探究。

在国家自然科学基金重大项目《精准微创手术器械创成与制造基础》、《超浸润表面材料项目群》等的支持下,长期从事化学仿生学研究的中科院院士江雷和北京航空航天大学开展仿生微纳制造研究的教授张德远、陈华伟走到了一起。自2013年开始,他们共同对猪笼草“嘴唇”的微观结构与功能及其成分之间有何种关联,展开了研究。

在实验中,张德远、陈华伟团队发现,猪笼草“嘴唇”具有连续搬运能力是其保证湿滑,让昆虫类动物站不住脚的根源。在此发现基础上,合作团队模拟猪笼草口缘区表面结构进行了压印成形,成功复制了猪笼草口缘区的工作机制,使生物功能转移制造成为现实。江雷团队则在理论上进一步给与提升,对这一现象进行了数学分析计算和模型建立,使人类广泛应用猪笼草“嘴唇”的功能成为可能。

“仿生研究的最终目的在于应用。猪笼草口缘区输运的是水,人类若想应用这种生物功能,需要运送的除了水,还可能是油,或其他液体物质的输送,这就需要建立理论基础。”江雷指出。

学术界不少人明白,这项成果发展了传统的泰勒毛细升理论。这一成果不仅仅是一项新的重要发现,且因仿生设计制造成功和理论模型的建立,应用前景将不可估量。

审稿专家认为,该研究令人兴奋的是,借鉴生物的精美设计,人类可巧妙地创建非常规工程解决某些难题。虽然这样的工程难以推测出形貌,但新的解决方案已闪耀着光芒。

猪笼草口缘区这种无功耗的微量输运,势必为人类在节约动力能源方面发挥诸多想象。若应用于农业生产的滴灌,包括提取地下水,将可节约大量电力能源。

陈华伟告诉记者,利用这种无外部动力输运方式能使水在水平方向上长距离搬运,原理上可无限度延伸。

实际上,合作团队已开始将这一成果推向医疗手术刀的应用。

张德远介绍,当前,国内外外科大夫在手术过程中,用载能手术刀切割时,需要切割、止血同时完成。而这使软组织常常粘刀,手术刀在切割几次后,就需要进行清洗,不仅延长了手术时间,更影响了手术的精准性,也影响患者康复,已成为一个国际性难题。为此,国家自然科学基金设立了重大项目《精准微创手术器械创成与制造基础》。合作研究人员效法猪笼草“嘴唇”谋求解决手术粘刀问题,在手术刀上应用类似猪笼草‘嘴唇’的滑膜,将有可能让手术刀在切割中不再粘连软组织。相关技术合作团队已申请专利。

国家自然科学基金委网:我国学者在仿生表面研究方面取得重要进展
威尼斯官方网站登录 8

2016年4月7日,国家自然科学基金委网报道:我国学者在仿生表面研究方面取得重要进展

2016年4月7日,Nature在线发表了北京航空航天大学陈华伟教授、张德远教授和江雷研究员等的合作研究成果“Continuous
directional water transport on the peristome surface of Nepenthes
alata”。该研究揭示了生物体表面结构无动力液膜搬运现象的原理,为机械表面/界面的仿生设计与生物制造奠定了理论与技术基础。论文连接:

翼状猪笼草,又名红瓶猪笼草,是菲律宾特有的热带“食虫植物”,其口缘区在湿润环境下显现出优异的湿滑特性,昆虫很难驻足在口缘区,常会“失足”而滑落至捕虫笼内而被捕食。这一奇特生物现象吸引了科学家的兴趣,但前期研究大多集中在如何模仿猪笼草类叶片湿滑特征,尚未对其表面润湿特征进行揭示。

研究团队深入分析了猪笼草口缘区表面微观结构上的液膜铺展过程,首次发现液膜定向连续搬运的神奇现象,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,揭示了液膜定向连续搬运机理,发展了传统泰勒毛细升理论。进一步研究了表面亲水、疏水特性对液膜定向搬运能力的影响规律,提出了基于楔形盲孔正向搬运、拱形边缘反向阻止的液膜定向连续搬运仿生机械表面/界面设计原理,基于生物复制成形方法实现了逼真形貌的转移制造。研究成果可应用于医疗器械、MEMS、航空航天等装备的表面/界面自润滑、抗磨损、防粘附等。

该研究得到了国家自然科学基金重大项目,面上项目等的资助。

威尼斯官方网站登录 9

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

相关文章