中山大学吴嘉宁、余树东团队｜仿生连接太阳能界面蒸发与大气集水，助力可持续淡水生产

全球淡水资源在时间与空间上的分布不均，使海水、浓盐水、工业废水以及空气中的雾、露和水汽成为亟待开发的非常规水源。太阳能驱动界面蒸发能够利用光热作用从液态水中获得水蒸气，大气集水则可通过雾收集、露水凝结或吸湿材料直接从空气中取水。两类技术分别对应自然水循环中的蒸发与凝聚环节，具有低碳、分布式和环境适应性强等优势。

中山大学吴嘉宁团队联合吉林大学工程仿生教育部重点实验室牛士超教授在 Advanced Bionics（《仿生前沿》）发表题为”Bioinspired design for solar-driven evaporation and atmospheric water harvesting toward sustainable freshwater production“的综述文章。面向全球淡水资源短缺难题，从生物界面设计视角建立太阳能界面蒸发与大气集水的统一仿生设计体系，为海水淡化、空气取水技术迭代提供系统理论指引。

图1. 面向太阳能驱动界面蒸发与大气集水的仿生界面设计总体框架

淡水资源紧缺是制约全球可持续发展的重大挑战。太阳能驱动界面蒸发（SDIE）与大气集水（AWH）是两条互补的绿色取水路径，可复刻自然界水循环关键环节，充分利用海水、苦咸水、雾气、环境水汽等非传统水资源。长期以来，两类技术的研究大多相互独立，但二者共享界面传质、能量调控的底层物理机制。该综述跳出单一生物原型模仿的传统思路，提炼出光热能量调控、毛细定向输运、大气水汽捕获、界面稳定性调控四大核心仿生设计准则。飞蛾眼、蝴蝶翅和黑色昆虫表皮可为宽光谱吸收与光捕获提供启示；植物维管束、叶脉和纤维网络展示了连续毛细供水和定向输运机制；仙人掌刺、蜘蛛丝、沙漠甲虫和猪笼草表面则揭示了液滴成核、捕获、定向迁移与快速脱附之间的协同关系；多级孔隙结构还为抑制盐析、污染、吸湿剂泄漏和结构退化提供了界面稳定性设计思路。系统梳理自然界动植物演化形成的高效水‑能量交换策略，解析生物结构与工程器件之间的构效关系，搭建起两类取水技术的统一分析框架。

图2. 仿生水获取系统的四项基础设计原则：（A）光热能量管理，（B）毛细管水传输，（C）大气水捕获和（D）界面稳定性设计

在太阳能驱动界面蒸发方面，文章梳理了仿生光捕获、热局域、水传输和抗盐结构的设计进展，强调高效蒸发并非单一提高光吸收即可实现，而需要协调光、热、水、蒸汽与盐离子的跨尺度传递。对于大气集水，文章进一步总结了梯度润湿界面、辐射冷却辅助凝结、吸湿材料的水汽吸附与太阳能解吸，以及防泄漏和自释放结构等策略，并比较了不同环境条件与取水路径下的功能侧重。

综述同时强调，先进制造并不是对生物形貌的简单复制，而是把生物功能转化为可制造工程界面的关键桥梁。自然模板、冷冻铸造、静电纺丝、增材制造以及微纳结构构筑等方法，可在不同尺度上调控孔隙、润湿性、结构各向异性和传热传质通道。通过建立“生物原理—结构构筑—界面过程—系统性能”的联系，复杂自然结构有望转化为具有可重复性、机械稳定性和规模化潜力的淡水获取装置。

在应用层面，仿生水获取技术正由单一产水向水、能量与资源协同利用拓展。相关系统已用于海水淡化和废水净化，并进一步延伸至盐和锂等资源回收、蒸发诱导发电、工业水汽回收、土壤重金属修复、农业灌溉及氮肥制备。这一发展趋势表明，界面蒸发和大气集水并非彼此竞争的技术路线，而是可针对液态水源、空气湿度和具体应用场景形成互补。

图3. 仿生水获取技术面临的挑战、新兴策略与未来发展方向

文章指出，仿生淡水生产距离大规模应用仍面临多重挑战，包括复杂环境下的性能波动、粉尘沉积与污染、盐积累、吸湿剂泄漏、结构机械退化，以及复杂多级结构难以低成本、可重复制造等。此外，不同研究采用的测试条件和评价指标尚未完全统一，也限制了系统间的横向比较。未来可结合人工智能、逆向设计和拓扑优化加速结构发现，发展能够响应光照、湿度、盐度和温度变化的自适应界面，并借助3D打印、静电纺丝、纺织加工和生物质制造推动规模化制备。

该综述为太阳能驱动界面蒸发与大气集水建立了共同的仿生界面设计语言，有助于研究者从孤立的生物形貌模仿转向对能量转换、质量传递、界面稳定和环境适应的协同调控，并为面向偏远地区、农业、工业及海上场景的分布式淡水生产系统提供设计参考。

作者信息

中山大学吴嘉宁教授（wujn27@mail.sysu.edu.cn）、余树东副教授（yushd6@mail.sysu.edu.cn）为本文通讯作者，团队博士后陶俊阳（taojy8@mail.sysu.edu.cn）、本科生陈昕乐（chenxle6@mail2.sysu.edu.cn）、廖益丰博士（已毕业）为本文第一作者。

吴嘉宁，中山大学先进制造学院副院长，教授，博士生导师，国家自然科学基金优秀青年基金获得者，中山大学“百人计划”引进人才。近年来，研究主要围绕未来制造、仿生界面、智能机器人及机械系统可靠性等交叉领域展开。在 Nature Nanotechnology, PNAS, NSR, AFM, iScience 等高水平期刊发表通讯/一作 SCI 论文 80 余篇（封面论文 7 篇），授权专利 15 项。研究方向包括：动物行为智能及仿生界面/机器人，关键机械部件的性能退化机制及动态可靠性评估。

余树东，博士，中山大学先进制造学院“百人计划”副教授，硕士生导师。在 Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Energy Convers. Manage.、Chemical Engineering Journal、Small、Materials Today 等期刊以第一/通讯作者发表论文 30 余篇，包括 4 篇封面论文，ESI 高被引论文 1 篇；谷歌学术引用 1500 余次，H 指数 24。主持项目 10 余项，其中包括 2 项国家级项目，5 项省部级项目。曾获得上银优秀机械博士论文奖、广东省科技进步一等奖等奖项。主要从事仿生功能结构、太阳能利用、被动辐射冷却等研究。

原文链接

• 论文原文：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950387626000115
• 来自公众号：https://mp.weixin.qq.com/s/vZCFr00PDk_puwtN0Pur_g