Advanced Materials
Nature-Inspired Design Strategies for Efficient Atmospheric Water Harvesting

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本文综述了仿生大气水收集系统的研究进展，系统总结了基于润湿性梯度、方向性输运和多孔结构等仿生策略在雾气和水蒸气收集中的应用，展示了如何通过结构设计提高水收集效率并减少能耗。文章系统梳理了生物启发材料的工程化策略，为开发可持续、高效率的大气水收集系统提供理论支持。

 

文献概述
本文《Nature-Inspired Design Strategies for Efficient Atmospheric Water Harvesting》，发表于《Advanced Materials》杂志，回顾并总结了近年来仿生大气水收集（AWH）系统的设计策略，强调了通过模仿生物表面结构（如润湿性梯度、方向性输运、多孔结构）实现高效水收集的机制。文章还探讨了如何将这些仿生策略转化为可扩展的工程化材料，以应对全球水资源短缺问题。

背景知识
大气水收集技术旨在从空气中提取淡水，尤其适用于干旱、高海拔和山区等缺水地区。传统方法如海水淡化、降水收集和地下水开采通常能耗高或受地理条件限制。仿生设计通过借鉴自然生物的水收集能力（如纳米结构表面、梯ad微流控设计、多孔材料），为开发低能耗、高效率的水收集系统提供了新思路。目前研究仍面临水汽吸收速率慢、材料再生能耗高、结构耐久性差等挑战，因此需要优化材料结构设计，提高水收集效率与可持续性。

 

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研究方法与实验
文章系统回顾了多种仿生结构在大气水收集中的应用，包括润湿性梯度设计（如沙漠甲虫背部的亲疏水交替结构）、Laplace压力梯度（如仙人掌刺的锥形结构）、以及液-气界面张力梯度（如捕虫草叶片的微通道结构）。研究通过理论模型与实验验证相结合，分析了不同结构对水滴成核、聚并、定向输运和排放的促进作用。此外，还介绍了3D打印、静电纺丝、微流控技术等先进制造方法在仿生水收集材料中的应用。

关键结论与观点

• 沙漠甲虫背部的亲疏水结构可有效提升雾滴捕获与定向输运，通过表面能梯度与曲率诱导的Laplace压力实现自发水滴迁移。
• 仙人掌刺的锥形结构结合微沟槽可产生Laplace压力梯度，使水滴从尖端向基部自发输运，提高水收集效率。
• 蜘蛛丝的周期性结节结构通过表面能与曲率差异，实现水滴的快速聚并和定向运动，提升雾收集效率。
• 通过3D打印和微流控技术可制造仿生微结构，实现可控水滴输运，提高材料在不同湿度条件下的适用性。
• 结合润湿性梯度与多孔结构的材料在水蒸气吸附、冷凝和释放过程中表现出优异性能，适用于干旱环境下的全天候水收集。

研究意义与展望
仿生水收集系统为可持续淡水生产提供了新路径，尤其在偏远或干旱地区具有广泛应用前景。未来研究应聚焦于材料耐久性、水滴输运速率提升及规模化生产可行性，以推动仿生AWH系统从实验室走向实际应用。

 

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结语
本文系统总结了仿生大气水收集系统的研究进展，强调了自然界生物（如沙漠甲虫、仙人掌、蜘蛛丝）在水滴捕获与输运方面的独特结构，并探讨了这些结构如何被工程化为高效水收集材料。研究指出，通过模仿生物表面结构、优化材料化学组成及制造工艺，可以显著提高水收集效率并降低能耗。未来，仿生AWH系统有望在干旱地区提供稳定淡水来源，为全球水资源短缺提供可持续解决方案。300字左右的总结强调了生物启发工程在材料科学与水资源管理中的关键作用。

 

Yunchan Lee, Shouhong Fan, and Shu Yang. Nature‐Inspired Design Strategies for Efficient Atmospheric Water Harvesting. Advanced Materials (Deerfield Beach, Fla.).