在日常生活中，端一杯水、拿著咖啡走路，很容易出現液體晃動、溢出的尷尬。在化工運輸、航空航天和精密實驗等場景中，液體晃動甚至可能引發安全隱患。現有的浮體、擋板等減晃裝置在復雜動態環境下仍存在明顯局限。
近日，中國科學院理化技術研究所仿生智能界面科學中心董智超研究員、于存龍工程師團隊在液體穩定控制領域取得新進展。研究團隊受豬籠草和睡蓮啟發，通過連續3D打印或連續紙杯修飾制備出“雙仿生”容器，實現了液體在復雜動態環境中的高效穩定。
2025年11月14日，相關成果以Bioinspired wettability boundary stabilizes water sloshing為題發表于《Science Advances》（《科學·進展》）。該論文通訊作者為董智超研究員、于存龍工程師，第一作者為2022級博士研究生馬潔。
研究人員首先對分布于東南亞地區的豬籠草進行系統研究，發現其捕蟲籠內壁上部為超疏水蠟質區，下部為親水消化區，兩者交界處形成了一條特殊的“親水–超疏水界線”。這條界線如同一條“無形的安全帶”，能牢牢鎖定液面，顯著抑制液體晃動和溢出，對保證高山豬籠草消化液的穩定至關重要。風洞實驗表明，當液面處在該界線附近時，液體晃動最小、最為穩定（圖1）。
圖1. 具有異質浸潤性邊界的豬籠草結構及其抑制液體晃動的機理示意
在此基礎上，研究團隊進一步借鑒睡的“缺角”結構，提出并構建了具有“異質浸潤性界線+缺角邊緣”的雙仿生容器。測試結果顯示，普通容器在振蕩約15次后液體溢出，而雙仿生容器在振蕩5000次后液體仍能保持穩定不溢出，其防晃性能實現數量級提升（圖2）。
圖2.異質浸潤性界線與缺角結構協同作用顯著增強容器穩定液晃能力
為驗證設計在真實場景中的適用性，研究人員將仿生結構應用于一次性紙杯。實驗表明，手持仿生紙杯行走時液體不再溢出。在更嚴苛的測試中，研究人員將四層仿生杯搭成“香檳塔”并固定于 SUV 車前，以約 10 km/h 連續駛過 50 個交替的減速帶。結果顯示，仿生杯塔內液體無溢出，而普通杯液體損失40%（圖3），充分證明了該雙仿生設計在抑制晃動和提升容器穩定性方面的顯著優勢。
圖3. 雙仿生容器在真實動態環境中的系統測試及與普通容器的對比結果
研究表明，將豬籠草啟發的異質浸潤性界線與睡蓮葉啟發的缺角結構協同設計，可在極端動態條件下仍有效穩定容器內液體。該成果為防晃容器與隨行飲品包裝提供了全新的仿生思路，并為工業液體運輸、航天推進劑管理及醫療與生物試劑的安全輸運帶來新的可能。
該工作得到了國家自然科學基金委、國家重點研發計劃和青年人才托舉工程項目的經費支持。
論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.adz7099
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