仿生“蝴蝶效应”服务健康检测 中国团队研发出新型无泵空气采样器
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《hxcpp研究所实验室》 仿生“蝴蝶效应”服务健康检测 中国团队研发出新型无泵空气采样器
中新网北京8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
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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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