新月型涡旋微泵：用于仿生定向液体爬升技术

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Crescent-Vortex Micropump for Bioinspired Directional Liquid Climbing

单向液体运输研究：基于捕蝇草和刺蜥蜴结构的CVM微泵设计与机制分析。该泵通过3D打印实现，结合生物结构中的拉普拉斯压力差、吉布斯钉扎和毛细上升效应，在水平及倾斜面上实现稳定高效定向泵送，性能随腔体深度与长度比λ提升。

　　

余浩|陈江|叶慧|李卫东

上海科技大学机械工程学院，中国上海市200093

摘要

受生物启发的定向液体传输结构通常存在制造复杂或性能受限的问题。我们提出了一种新月形涡旋微泵（CVM），该泵结合了Nepenthes peristome（猪笼草的唇瓣结构）和Moloch horridus（澳大利亚刺魔蜥皮肤）的设计原理。通过3D打印技术制造的CVM能够在水平和倾斜表面上实现稳定、快速的单向泵送。泵送性能随着腔体深度与长度比（λ）的增加而提高。其工作原理包括拉普拉斯压力差（外壁）、吉布斯固定效应（顶面）和毛细上升（内壁）。无论λ值如何，内壁始终保持完全填充状态，且随着λ的增加，其填充能力也会增强。这些发现深化了人们对定向传输机制的理解，并为微流控技术在实际应用中提供了支持。

引言

在过去二十年里，由于定向液体传输在微流控、医疗设备、油水分离、雾水收集、热管理以及功能性纺织品等领域的广泛应用，相关研究呈指数级增长[1]、[2]、[3]、[4]。从根本上说，定向液体传输依赖于增强液体在所需方向上的运动性，同时抑制其在相反方向上的运动，或者同时结合这两种机制[5]、[6]。根据驱动力来源的不同，定向液体传输可以分为两类[7]。第一类是主动传输，通常利用光、热、磁场或电场等外部能量场来驱动液体朝特定方向移动[8]、[9]、[10]。尽管主动传输方法具有快速传输和灵活的方向控制优势，但往往需要复杂的装置、笨重的设备和高昂的成本，从而大大限制了其实际应用范围。第二类是被动传输，它依靠非对称的流动阻力或在优选方向上增强的液固粘附力来实现定向移动[11]。由于结构简单、成本低且不依赖外部能源，被动传输策略在现实应用中具有更大的潜力。

猪笼草唇瓣上的抗重力液体传输现象长期以来一直吸引着科学家的兴趣，激发了许多仿生设计和工程应用[12]、[13]、[14]、[15]。一种常见的方法是通过生物复制或3D打印技术来复制这种自然结构[16]、[17]、[18]。然而，这种方式制造的结构往往缺乏明确的设计参数，阻碍了系统的优化和广泛应用。另一种方法是简化猪笼草的几何形状以方便制造[19]、[20]，但过度简化往往无法完全捕捉到生物原型的功能优势。第三种方法旨在忠实再现唇瓣的复杂形态以保持其性能[21]、[22]，但由此产生的复杂性通常会导致较高的制造成本并限制了可扩展性。此外，现有的关于猪笼草唇瓣的机制研究主要集中在分析液体扩散和微腔填充过程[23]、[24]，对于这些微腔的特定几何形状如何影响传输动态的讨论较少。澳大利亚刺魔蜥（Moloch horridus）利用其皮肤中的非对称毛细通道将水从潮湿表面定向泵送到口中，这种机制已被证明是一种高效且简单的被动液体传输方法[25]。

本研究将猪笼草唇瓣的微腔结构与刺魔蜥的非对称通道设计相结合，提出了一种新型的新月形涡旋微泵（CVM）架构。CVM单元是通过旋转一个新月形轮廓并将其与两个平行平面相交来生成的。这种设计结构简单，几何参数明确，可以通过3D打印技术轻松且经济地制造出来，在微流控和生物医学领域具有显著的应用潜力。实验表明，CVM在水平和倾斜表面上都能实现稳定、快速的定向泵送，包括在斜坡上的有效抗重力运动。机制分析显示，CVM中的定向传输是由外壁的拉普拉斯压力差、顶面的吉布斯固定效应以及内壁的毛细上升共同驱动的。理论建模进一步表明，无论深度与长度比（λ）如何，内壁始终保持完全填充状态，而较大的λ值可以提高其毛细填充能力，从而提升整体传输性能。这项工作深化了对生物启发定向液体传输机制的基本理解，并为微流控、生物医学等领域的实际应用提供了一个实用且可制造的平台。

部分内容摘录

BSHPs的微制造

三维CVM的几何形状是在SolidWorks（Dassault Systèmes, USA）中建模的，随后使用高分辨率3D打印机（nanoArch S130, BMF Precision Technology Inc., China）通过投影微立体光刻（PμSL）技术制造的。所有组件均使用耐高温的光敏树脂（BMF Precision Technology Inc.）打印而成。固化后的材料具有71.5 MPa的拉伸强度、2397 MPa的弹性模量、81的肖氏D硬度以及良好的热稳定性

CVM的设计与表征

受到自然界中用于定向水传输的生物结构的启发，人类在设计上取得了许多创新成果。生活在干旱环境中的澳大利亚刺魔蜥（Moloch horridus）的皮肤上布满了非对称的微通道。这些微通道利用拉普拉斯压力差实现定向流体泵送，使蜥蜴能够通过身体接触从潮湿表面吸收水分并将其传输到体内

结论

受Moloch horridus皮肤（非对称微通道）和猪笼草唇瓣（毛细微腔）结构原理的启发，本研究提出了一种新型的新月形涡旋微泵（CVM）架构。CVM单元是通过旋转一个新月形轮廓并将其与两个平行平面相交来设计的，形成了结构简单且功能实用的几何形状，可以通过3D打印技术轻松且经济地制造出来。这种方法克服了传统方法的局限性

CRediT作者贡献声明

陈江：项目监督、项目管理。余浩：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、方法论设计、数据分析、概念化。李卫东：项目监督、资源调配。叶慧：方法论研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢来自上海RuoKe分析中心（www.gcanalysis.cn）的Hong Lizhi博士在CA测试和SEM分析方面提供的帮助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。