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  由于全球氣候變化、人口快速增長和日益嚴重的水污染，全世界數十億人面臨著嚴峻可用淡水資源缺乏的問題。霧水收集技術是從空氣中捕獲水蒸氣或霧氣等，該技術已被應用于多霧地區收集淡水，是一種可持續和低成本獲取可飲用淡水的方法。然而，單一仿生霧收集裝置無法滿足人類快速增長的用水需求，將多個生物的捕霧結構優化到一個收集裝置上是該技術新的發展方向。可見，系統總結具有較高霧水收集效率和可持續性多生物協同啟發霧水收集裝置的研究進展，對提高霧水收集效率具有重要的現實意義。

圖1：從單一到多生物協同啟發的霧水收集裝置示意圖

1. 常見的具有捕霧能力的生物

  為了在極端干旱的條件下生存，許多生物進化出了特殊的的結構和潤濕性，這使得它們能夠在霧流中獲得寶貴的水分。本文從表面結構到理論分析，具體介紹了甲蟲、仙人掌、蜘蛛絲和豬籠草四種典型生物。

  納米比亞沙漠甲蟲在霧流到來時，都會找到較高的沙丘，抬起它的背部迎接來自海岸的霧氣流。霧氣在其背部親水區域聚集成水滴，然后在重力的作用下沿著疏水區域滑落到甲蟲的口腔中，從而獲得一天所需要的水分。仙人掌為了適應炎熱干燥的氣候，減少水分的蒸騰作用，將葉子進化成針狀。此外，仙人掌尖刺由方向性倒刺、梯度凹槽和帶狀毛狀體三部分組成。仙人掌棘錐形非對稱結構產生的拉普拉斯壓差與梯度槽產生的表面能量梯度協同作用，使液滴從尖端到底部定向運動。掛滿露珠的蜘蛛網讓人們意識到這種一維材料也有其獨特的捕霧技巧。研究發現蜘蛛絲在潮濕條件下會形成周期性的紡錘結結構，產生拉普拉斯壓力差，結合各向異性結構特征所帶來表面能量梯度共同作用，可以實現在蜘蛛絲主軸結周圍水滴連續冷凝和定向收集。江雷院士團隊在豬籠草口器邊緣發現連續的的定向水輸送，由于其在微尺度和納米尺度上的分級結構，誘導了在輸送方向上毛細上升增強，并通過釘住任何反向移動的水前緣防止回流，使得站在口器邊緣的昆蟲能夠迅速的滑落到豬籠草的消化袋中。這種獨特的潤濕特性能夠加速霧水收集裝置表面液滴的滑落，為霧水收集裝置的設計提供了新的思路。

2. 霧水收集理論

  最常見的霧水收集裝置是網格或平面結構，它們大多垂直于霧流放置。霧流在吹向裝置表面時，霧滴在與裝置碰撞的過程中將動能消耗殆盡，并在表面逐漸凝結。當表面凝結的霧滴重量大于裝置對其的粘附力后，液滴在重力的作用下落入容器中。顯然，整個霧水收集過程可以分為兩個主要部分:霧滴捕獲和水滴輸送。

  霧滴捕獲主要與空氣動力學相關。當霧流吹向霧水收集裝置時，會受到來自裝置產生的阻力而產生偏移，即氣動偏差(圖3a-b)。適當地增加裝置的孔徑，能夠提高霧流與裝置直接碰撞的頻率，從而增大霧滴捕獲的效率。此外，當霧滴吹向裝置表面時，沿物體表面垂直方向存在速度梯度，這一薄層稱為邊界層(圖3c-d)。霧流運動的速度與邊界層的厚度負相關，而越光滑的表面，邊界層越厚。合理的霧水收集裝置設計需要將邊界層這一因素考慮在內。

3. 多生物協同啟發的霧水收集裝置

  僅模仿一種生物捕霧特點所制備出的霧水收集裝置的捕霧效果是有限的。如納米比亞沙漠甲蟲表面捕捉到的霧直到體積大于臨界尺寸才會向下滑落，仙人掌刺和蜘蛛絲可以將捕獲的液滴定向聚集在一起，但缺乏從霧流中捕獲霧滴的能力，且捕獲的液滴在運輸過程中不可避免地會再次蒸發，而豬籠草潤滑表面可以高效輸送霧滴，但在霧流捕獲方面能力較弱。為了進一步增加霧水收集效果，有必要制備結合多種生物優勢的霧水收集裝置。如何在合理利用生物特征并簡化制備過程一直是研究者們困惑的問題。

  近年來，隨著研究的深入，基于多種生物協同啟發，通過一些巧妙的設計，各種高效的多生物協同啟發的霧水收集裝置被廣泛報道。王玉忠院士團隊在微孔表面集成了四種生物的特性（圖4a-f），包括來自納米比亞沙漠甲蟲親/疏水圖案化的表面，用于霧流中的水滴捕捉；來自豬籠草超滑表面，用于水滴快速運輸；來自仙人掌尖刺楔形親水圖案，用于膜表面液滴的定向運輸；以及受腎蕨啟發的不對稱排列的陣列，以減少收集屏障。郭志光教授團隊除了將親/疏水圖案化表面，超滑潤濕性，以及仙人掌尖刺引入材料設計外，還創造性地將與水生植物類似凸起結構引入到霧水收集裝置設計中（圖4g-i），這種親水凸起能產生毛細作用力，使各個方向水滴迅速被吸引到凸起位置。

4. 多生物協同啟發的霧水收集裝置所面臨的挑戰

  （1）霧水收集裝置的設計策略主要是以仿生學為基礎，尋找更多具有高效霧水收集能力的生物并模擬其結構是提高霧水收集裝置捕霧效率的另一個思路。

  （2）霧采集的理論和機理有待進一步探討。盡管有大量的霧水收集裝置被報道，但很少有人關注樣品結構與霧收集效率間的構效關系，如受納米比亞沙漠甲蟲啟發的霧水收集裝置中，關于親水和疏水區域的最佳比例仍然沒有定論。

  （3）捕霧過程在室外進行的，強風(甚至含沙)可能會對裝置造成損壞，因此，如何提高霧水收集裝置的耐久性和穩定性需要更多的關注。

  （4）報道的捕霧實驗大多是在高濕度(60%以上)條件下進行的，這與實際應用(干旱區的極低濕度)有很大差異，未來的研究應該更多地關注低濕度條件。

  （5）在長期霧水收集過程中，潮濕的表面容易滋生細菌。此外，功能涂層可能會隨著水滴一同滑落，這也可能會污染捕獲到的霧水。

  （6）有必要建立統一的霧水收集效率評價標準。霧流的速度、溫度、濕度等外部因素也會影響霧的收集效率。文獻報道的試驗條件和參數各不相同，因此很難對這些霧水收集裝置的綜合性能進行比較。

5. 總結和展望

  目前多生物啟發的霧水收集裝置還相對不成熟，很難實現商業應用。研究人員在多生物啟發霧水收集裝置設計上遇到了各種各樣的挑戰，如制造工藝麻煩，結構復雜等。令人欣慰的是這些問題可以通過商業化的制造方法、表面/界面工程和多種功能的組合等策略來合理解決。此外，日益嚴重水資源短缺也將推動對有前途的霧收集技術的進一步研究和創新。未來的研究將會繼續完善霧水收集裝置設計，縮小基礎研究與應用技術之間的差距。一旦通過進一步的創新實現高效、低成本的霧水收集裝置制備，將成為實現人類可持續發展戰略的關鍵。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202200359