北航科研团队发现猪笼草捕食的奥秘 成果被《自然》杂志发表

（原标题：北航科研团队发现猪笼草捕食的奥秘 成果被《自然》杂志发表）

水往低处流，这是大部分人都知道的自然现象。但是大千世界无奇不有，在“昆虫杀手”猪笼草的捕食袋口，液体却能够实现从低往高处倒流。北京航空航天大学张德远、陈华伟两位教授带领的科研团队首次发现了这一奇特现象，进而成功仿生制造出能够使液体从低往高无动力单向流动的表面。

本月初，他们的研究成果在世界顶级期刊《自然》杂志上发表，这是我国机械工程学科领域的科研人员首次以第一作者和通讯学者在该期刊发文。两位教授告诉记者，这种液体无动力单向流动的仿生技术在手术器械防粘、机械自润滑、农业远程灌溉乃至飞行除冰等领域都将有广泛应用，他们已经开始着手进行产业化应用。

机械专家接下仿生研究课题

张德远是北航机械工程及自动化学院的教授。从1990年来到北航攻读博士生，到后来留校任教，从助教一直到教授、系主任，他已经在学院路这一平方公里的大院里工作、生活了26年。

1996年，一直从事机械制造研究的他决定开始做仿生研究，这让身边不少人有些不解，“他们说仿生应该是生物学家的事情，我做属于旁门左道，不务正业。”可一旦确定了方向，张德远的科研意志非常坚定，“从蝙蝠到雷达，这是模仿。我的目标是仿生制造，既有生物特性，更有精密制造，作为工具服务人类的生产生活。”

历经10年努力，他带领团队辛勤的付出也收获了回报。在2008年前后，他们研制出了逼真的仿生鲨鱼皮肤，无论是在医疗还是军事领域都有非常好的应用前景。在研究过程中，2007年加入北航的陈华伟教授成为了团队的重要一员。

到了2013年，国家自然科学基金设立了“微创医疗”重大研究项目，要论证攻克长期存在的“微创手术器械粘刀”问题。“在手术中，电刀切割组织、皮肤时，经常出现粘刀，既影响了手术进程，也增加了病人的痛苦。”陈华伟说，团队决心利用仿生制造科学解决这一难题。

猪笼草树蛙都被搬进实验室

仿生解决手术器械粘刀，怎么入手？团队首先想到手术是在湿润、黏滑的环境下进行，那就找湿润、黏滑特性的生物做研究。他们确定了在潮湿地区生活的树蛙和猪笼草。猪笼草是一种生活在热带地区的植物，它有湿润的“嘴唇”，当昆虫在其“嘴唇”表面爬行时，常常会失足滑入捕食的口袋里。

北京是温带，没有猪笼草。张德远、陈华伟利用各种出差的机会寻找合适的品种。终于，万能的淘宝帮了他们大忙。首批8盆猪笼草抵达北航实验室，进入了一个冰箱大小的“模拟热带”——里面装着加湿器，猪笼草下面养着树蛙，粗一看还以为进入了动物世界。

实验开始，数只蚂蚁被放在猪笼草的“嘴唇”，它们很快滑进了口袋里，再也没能上来。这是什么机理？之前各国科学家对于猪笼草类叶片结构有过微观研究，但是叶片结构与叶片湿润液体的作用关系却很少涉及。团队成员没有“前人栽树后人乘凉”，而是进行了更加细致的显微镜下观察。他们的执着收到了回报，博士生张鹏飞在一次观察中惊奇地发现，液体在猪笼草的“嘴唇”边缘竟然能够沿着单一方向快速移动，也就是说，水可以从低往高流。

兴奋不已的他立即把这一发现报告给了导师张德远和陈华伟。两位教授敏锐地意识到，这不是一个简单的生物现象。他们开始查阅能解释这一现象的国内外理论文献，一直查到了1742年，都解释不了。“我们发现了一片‘新大陆’，这是机遇，也是挑战，因为没有前人之路可以借鉴，弄清机理全得靠自己。”张德远说。

仿生造猪笼草“嘴唇”

要彻底弄清猪笼草水倒流的机理，光研究草叶面本身已经远远不够，仿生制造猪笼草的“嘴唇”模拟再现水倒流的情景是有效的方式。团队开始忘我工作加班加点。实验设备不够，张德远自掏腰包花20多万元购置了高速摄影机。赶上实验室改造，张鹏飞和另一位博士生张力文就在旁边找了一间屋子做实验，常常忙到深夜。

通过仿生技术制造出“嘴唇”的样子很容易，实现它的特性却难，他们利用一种实验室材料最初造出的 “嘴唇”是疏水的，但是通过显微镜观察，没有发现液体单向移动的功能。不过经过改性使表面亲水后，液体单向移动的功能再次出现。他们对猪笼草和模拟“嘴唇”的表面进行显微表征研究，终于发现了这种能让水从低往高倒流的液体单向搬运现象与材料特性、结构都有着密切关系。

“简单地说，看似光滑的叶片表面其实有一道道褶皱，这些褶皱呈梯度楔角，角度越小，液体单向搬运的速度越快，水往高处升得越高。”陈华伟告诉记者，在高速摄影机下，他们造出的猪笼草“嘴唇”能使液体从低往高倒流，6秒钟竟然倒流上升了大约3厘米。“大自然真是神奇，我们努力终于揭开了这其中的奥秘。”他感慨道。

在北京天津建产业化基地

“这么重磅的科研成果，捂着藏着肯定不合适，得跟学界分享。”张德远说，按照自己的想法，研究价值足以登上《自然》杂志，但会不会被对方编辑部“毙”掉，自己心里没底，毕竟全世界科学家都“瞄”着这本顶级期刊。

他们咨询曾经在《自然》杂志发表过科研成果的该校江雷院士。江院士看完科研报告后，毫不犹豫地建议应该往《自然》杂志投，并提出了不少修改、完善的意见。

2015年2月，论文被投往杂志编辑部。对方很快有了回复意见，表示“可以发杂志的副刊”。张德远说，这并不符合大家的预期。他们立即回复邮件，有理有据阐述了这项研究成果的价值和意义。编辑部不断发来提问邮件，团队逐一耐心回答。慢慢的，《自然》杂志编辑的提问从一次十多个降到了两三个，“他们应该也是真正明白这项研究的价值所在了。”张德远笑道。

本月初，这篇名为《猪笼草口缘区表面液膜连续定向搬运机制》的论文在《自然》杂志发表，整个团队历时两年多的努力得到了全球学界的肯定。

张德远告诉记者，这一研究成果可应用于多个领域，例如解决微创手术在高温环境下的粘刀问题，用单向移动的“水膜”随时输送到接触区实现防粘，大大提升了手术效率。此外，在农业方面，水通过单向搬运，完全不需要任何辅助动力，可以一举解决沙漠干旱地区的植物长距离滴管供水问题。甚至在飞行领域，这项技术也有用武之地，“寒冷地区机翼上的水分能快速排干，除冰效率大大提升，飞行安全也有了更多保障。”

张德远告诉记者，接下来他们将对猪笼草的液体单向搬运现象做进一步的机理研究，同时实际生产应用也已经启动，目前他们在北京房山的窦店、天津武清已经建立了产业化基地。“这项技术的呈现形式会是一张厚约0.5毫米的薄膜，它会在我们未来的生产和生活中大显身手。”本报记者 张航 文并图 J067