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  北京8月14日电(记者孙自法)记者8月14日从中国科学院理化技术研究所(理化所)获悉,该所仿生智能界面科学中心董智超研究员团队从蝴蝶的“卷喙饮蜜”行为中获得启示,最新研发出一种名为“液膜破裂驱动毛细管富集”(FACE)的新型无泵空气采样器,可服务呼吸系统传染病与空气污染的低成本便捷检测,助力全球健康公平。

卷曲蝴蝶喙管。中国科学院理化所供图

  研究团队介绍,在自然界,大多蝴蝶伸着长“吸管”(喙)吮吸花蜜,也有蝴蝶“另类”地把吸管卷成一个圈,在环中吐出一小片液膜。他们用X光透视相机追踪发现,当液膜被吸薄到极限、突然破裂的瞬间,破裂产生的力如同无形之手,将整片水膜中的液体瞬间“拽”进食道,一滴不剩。这毫秒级的“脆响”式抽吸,高效又省力,释放的正是液体表面的“能量皮肤”即表面能。

  这一基于界面热力学的自然现象,为破局无泵空气采样提供了全新思路。受此启发,研究团队用3D打印做出一个微型“环形跑道”——一个硬币大小的塑料环,中间挂着一层薄薄的液体膜,环的内部藏着毛细管道,模仿蝴蝶吸管里的食物通道。工作时,液体膜暴露在空气中,就像一张粘性“飞毯”,空气中的有害气体、病毒飞沫、农药微粒撞上它,就会被温柔地“粘住”。

  同时,这种液态薄膜不仅在实验室状态稳定,还能绑在植保无人机上,在强气流中坚持30秒捕获农药残留,实现让农民不再凭感觉等安全期,无人机飞过即可确定下地时间。

搭载无人机农田高空采样。中国科学院理化所供图

  在此基础上仿生研发的新型无泵空气采样器,采样后只要用检测试纸轻轻一碰出口端,触发液膜破裂,其瞬间就像蝴蝶喝水那样,把收集到的所有液体连同里面的“猎物”,一起通过毛细管道送进检测试纸条里,而且整个过程不需要泵、不需要电,全靠物理规律自动运行。

  对比传统的气溶胶采样器,新型无泵空气采样器检出灵敏度高出两个数量级;传统设备可能因多种因素导致性能低下,而新型无泵空气采样器实现“采集-回收-检测”一体化,收集与回收效率均近100%,实现痕量生物标志物高保真富集。

  研究团队指出,新型无泵空气采样器以低至0.87元人民币(约合0.12美元)的单次材料成本和完全无源驱动设计,提出一种实用的底层空气采样技术方案,从而为气溶胶富集与空气采样技术带来了思维上的底层范式革新:以前,人们总想着用更大的力气去“吸”到更多;现在,科学家利用液膜破裂本身来释放能量,用精巧的物理设计取代笨重的机电设备。

  对于全球几十亿生活在电力不稳、医疗资源匮乏地区的人们来说,这种无需电源、无需专业培训、随手可用的空气检测工具,可能是通往健康公平的一把钥匙。

本项研究的相关对比示意图。中国科学院理化所供图

  新型无泵空气采样器研发成果论文,近日在国际学术期刊《美国国家科学院院刊》(PNAS)发表。研究团队认为,这项仿生“蝴蝶效应”服务空气检测的技术应用,或许将掀起一场便携式空气监测的革命。(完)

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