中国科学院理化所董智超Device: 仿睡莲叶片稳定漂浮装置 | Cell Press对话科学家
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在动态水波环境下保持稳定漂浮状态对水生植物的生存、浮标的耐久使用、岸边码头的安全停靠、钻井平台的高效作业、乃至大型漂浮城市的建设都有重要意义。此前，关于漂浮物稳定漂浮的研究大多集中于主动式的复杂锚定装置设计，对漂浮物自身的边缘结构研究相对较少。睡莲作为早期的基部被子植物，其叶片具有独特的缺口结构，我们发现叶面上下表面具有亲水性、侧壁具有超疏水性，能够在复杂的水流环境下稳定浮于水面，但动态稳定漂浮的机制仍有待探明。
基于此，来自中国科学院理化技术研究所的江雷/董智超团队近日在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了题为“Water-lily inspired notch for passive stabilization in floating devices”的论文。受睡莲叶片稳定漂浮于水面的启发，本文提出了一种利用稳定钉扎的气液界面和稳定震荡的液体弹簧效应协同增强动态稳定漂浮性能的新方法。
该装置优化了传统漂浮物的边缘设计：包括超疏水侧壁和宏观缺口结构。首先，超疏水侧壁保证在水波冲击下气液界面的稳定钉扎。其次，钉扎于缺口内的受限液体通过液体弹簧的震荡形式耗散水波冲击能量。基于此耗散机制，缺口结构漂浮物可在水波冲击下长时间稳定漂浮于水面而不漂走。
为解决实际应用场景动态水波冲击下漂浮物的水面稳定漂浮问题，作者提出利用具有超疏水侧壁的缺口结构持续耗散水波冲击并稳定漂浮物。此外，作者还将阵列化的多缺口结构修饰在大型浮标和码头的边缘，有效耗散了复杂水流环境中的水波冲击力，显著增强了浮标的动态稳定漂浮性能，展示出很好的实际应用前景。
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在自然环境中，睡莲叶片能够在水波环境中稳定漂浮（图1）。相较于叶片正背面的亲水性，睡莲叶片的缺口侧壁覆盖有连续的蜡质层，表现出疏水性。睡莲叶片的缺角结构具有独特的特征，其中缺口角度α和缺口位置P均呈现出窄分布的特点，α平均值为30.7˚，P的平均值为0.78。
图1：睡莲叶片的表征。
作者首先研究了侧壁浸润性对静态漂浮性能的影响（图2）。通过光学和X射线表征发现，在垂直下压缺口漂浮物的过程中，缺口内三相接触线逐渐淹没亲水侧壁，而在超疏水侧壁处得以稳定钉扎。值得注意的是，在较大浸没深度（对应较大静水压力）下，超疏水侧壁依旧可以稳定钉扎三相接触线。原位力学表征显示，具有超疏水侧壁且缺口角度较小的漂浮物具有较大的垂直浮力Fz和更优的静态稳定漂浮性能。
图2：缺口漂浮物的垂直下压过程。
作者进一步分析了垂直下压过程中漂浮物所受的水平作用力Fx。水平作用力来源于漂浮物的倾斜，而倾斜则是由于支撑杆两侧漂浮板所受静水压不对称导致。研究结果表明（图3），随着缺口角度减小，水平作用力也随之减小。当支撑杆位于缺口漂浮物的重心两侧时，水平作用力方向发生反转，但垂直浮力的数值保持相近。
图3：不同缺口漂浮物所受水平作用力和垂直浮力。
作者接着探究了在水波冲击下不同缺口漂浮物的动态稳定漂浮性能。在周期性震荡的水波冲击下，亲水侧壁缺口内的液体逐渐淹没漂浮物，而超疏水侧壁缺口则将受限液体稳定钉扎于缺口内（图4）。基于此，缺口内连续震荡的液体弹簧作用于缺口边界。首先，垂直震荡作用力Fz（~ 10.0 mN）产生于缺口内液体的静水压力波动，缓冲外界的水波冲击；其次，水平震荡作用力Fx（~ 1.0 mN）来源于平面水波的辐射应力，直接作用于缺口侧壁。值得注意的是，Fx远小于Fz，这表明缺口内受限液体弹簧震荡作用可有效缓冲外界水波的冲击，从而显著提高漂浮物的动态稳定漂浮性能。
图4：水波冲击下缺口内受限液体的缓冲作用。
此外，作者通过高频水波冲击自由漂浮物的实验，放大了缺口内受限液体的缓冲效果，并发现缺口角度约为 30˚的缺口漂浮物具有最优的缓冲效果和最佳的动态稳定漂浮性能（图5），这一发现与自然界中睡莲叶片的缺口角度分布（图1）相一致。作者还展示了缺口漂浮物作为光伏电池板负载平台以及新型摩擦纳米发电机的潜在应用前景。最后，阵列化缺口修饰的浮标及码头均表现出更加优异的动态稳定漂浮性能。
图5：缺口漂浮物的应用场景。
总结
综上所述，本文提出了一种利用缺口结构辅助漂浮物稳定漂浮的新策略。为此，设计了具有超疏水侧壁的缺口漂浮物：一方面，超疏水侧壁稳定钉扎缺口内的气液界面；另一方面，缺口内的受限液体震荡有效缓冲水波冲击。研究表明，在高频水波冲击下，缺口角度约为30˚的自由漂浮物具有最优的动态稳定漂浮性能。相信在未来，普适的缺口结构可以作为一种新型的结构设计思路，在多功能水面漂浮物的设计中发挥更加广泛的应用价值。
作者专访
Cell Press细胞出版社公众号特别邀请董智超研究员代表研究团队接受了专访，请他为大家进一步详细解读。
CellPress：
仿生学是一门很有意思的学科，近些年来有很多优秀的科研成果都来源于向大自然的学习。那么首先请您为我们简要介绍下本课题的来源。
董智超研究员：
盛夏光景，履荫临池，“曲曲折折的荷塘上面，弥望的是田田的叶子”。千载之前，理学五子周敦颐所见，想来也是同样的风致。按历来莲荷不分，令周子盛赞“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”的“亭亭净植”之”莲叶”，也就是朱自清笔下“出水很高，像亭亭的舞女的裙”的荷叶。本课题关注的浮水植物——睡莲，不同于具有超疏水自清洁特性的荷。
我在参观宁波博物馆时，偶然发现池塘中分布有很多带有特征缺口结构的睡莲，并注意到池塘中有流水和波浪。当睡莲的缺口朝向水波时，其叶片表面保持干燥，稳定浮于水面；而当睡莲的圆边朝向水波时，其叶片表面则有水，并被部分淹没至水下。
这一现象引起了我们的极大兴趣，并且相较于荷叶而言，对于睡莲漂浮的研究是相对缺少的，我们认为缺口的存在和朝向对睡莲叶片的稳定漂浮性能有显著影响，基于这一猜想，我们开展了这一仿生工作。
CellPress：
研究团队提出的这种缺口漂浮物的优势有哪些？未来有可能在哪些领域实现广泛的应用前景？
董智超研究员：
我们提出的这种缺口漂浮物对应是一种被动式的稳定漂浮策略，其并不依赖于外界主动式的复杂锚定装置，对复杂水流环境均具有优异的适应性。此外，缺口结构具有普适、易加工和低成本的优势，可广泛应用于不同材质、不同密度以及不同尺寸的多功能水面浮标的边缘结构设计中去。此外，随着海洋能源开发的不断推进，缺口结构还有望应用于水产养殖和水面光伏漂浮板的结构设计中。
我们相信，在未来，普适的缺口结构将在多功能水面漂浮物的设计中发挥广泛的应用价值。
CellPress：
从最开始的仿生灵感到最终的实际应用展示，其中一定存在有很多困难。在研究过程中您和团队遇到的最大问题是什么？后来又是如何解决的呢？
董智超研究员：
在整个研究过程中，我们遇到的主要挑战在于机制解释和应用拓展。
首先，在机制解释方面，尽管我们花费了较长时间，起初并未得到令人满意的解释。最终，我们借鉴了“液体弹簧”的概念，基于水波能量耗散的机制，对水波冲击下缺口漂浮物稳定漂浮的实验现象进行了有效解释。
其次，在应用展示方面，为探究此缺口结构是否可被应用于真实水波环境中大尺寸浮标的稳定漂浮，我们开展了多次户外水域的验证实验。在这些实验中，我们遇到了很多意想不到的困难，比如合适水域的选择、水面漂浮板的放置以及水流复杂多变等，然而，凭借团队的共同努力，我们克服了这些挑战，最终完成了大尺寸缺口浮标在户外复杂水流环境中稳定漂浮的验证。
CellPress：
您对水面稳定漂浮这一领域未来的研究发展方向有何展望呢？
董智超研究员：
在实现水面稳定漂浮的基础上，我认为未来的发展方向之一将是水波环境下的可控水面漂浮。这不仅涉及到水面机器人的应用，还关系到未来大型漂浮城市的可控建设。
CellPress：
最后，请与我们分享一下选择Device来发表这项工作的理由。
董智超研究员：
Device是Cell Press细胞出版社旗下一本旗舰期刊，也是Cell、Chem、Joule和Matter的姊妹刊。Device期刊的发表内容主要涵盖物理、生物、化学、材料、信息科学和工程学等领域中具有突破性和多学科交叉性的应用技术研究成果。其目标是促进科研领域的创新整合与交叉融通，以激发科研群体的创造力，从而研发出具有现实意义且能够提高人们生活质量的新设备和新器件。
我们的工作非常符合Device期刊的内容范围和定位。为了最大化我们工作的影响力，我们选择了Device进行投稿。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下
期刊Device上，
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▌论文标题：
Water-lily inspired notch for passive stabilization in floating devices
▌论文网址：
https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(24)00241-2
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100405
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