近期，中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心董智超团队受干旱沙漠中柱状仙人掌集雾与水分输运机制启发，利用金属 3D 打印技术研发出一种半埋入式仿生柱状仙人掌集雾器，将雾滴捕获、水蒸气冷凝、定向输运和根区灌溉集成于一体，打通了从大气取水到原位灌溉的完整链条，使捕获的大气水无需经过额外储存和长距离输运即可直接输送至植物根区，为干旱半干旱地区低能耗、分布式供水提供了新的仿生学思路。相关成果日前发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。

防沙治沙是我国的重大生态国策，已取得举世瞩目的成就，但水资源获取始终是其中的突出难点。当前，我国第二轮防沙治沙攻关正处于启动阶段，发展与之相适应的水资源获取手段，对巩固治沙成果、突破治理瓶颈极为重要。沙漠干旱半干旱地区虽然降雨稀少、蒸发强烈，空气中却蕴藏着雾气、露水等丰富的大气水资源。传统集雾、集水器件虽能部分回收大气水资源，但普遍存在气流阻力大、雾滴二次吹飞和蒸发严重、集水与灌溉脱节等痛点，捕集到的水往往在输运或灌溉过程中再次蒸发损失，难以形成稳定有效的补水支撑。

图1. 半埋入式仿生柱状仙人掌一体化装置用于集水种植

针对上述问题，研究团队突破传统平面与网状结构的局限，构建了由仿生刺捕获、非对称孔吸入和毛细沟槽排水构成的三级水输运路径：第一级，异质润湿性锥形刺利用表面润湿性反差与拉普拉斯压强差，高效捕获并定向汇聚微小雾滴；第二级，非对称微孔利用外大内小的几何结构产生强大抽吸压强，将水滴主动吮吸入柱体内部，有效避免二次吹飞与蒸发；第三级，内部连续毛细沟槽则利用毛细作用将水分瞬间导引至底端埋土区，实现植物根部原位直灌。由此，捕获的大气水无需额外储存和长距离输运，即可直接送达植物根区。

图2. 柱状仙人掌启发的集雾、冷凝、输运和灌溉一体化大气水收集系统

粒子图像测速和流场分析显示，BCF仿生柱状仙人掌的圆柱结构可引导雾滴气流沿表面绕流，径向锥形仿生刺在背风侧诱导局部微涡旋，增强雾滴与收集表面的碰撞，并减小平面结构后的低效尾流区。BCF空气动力学收集效率达80.4%，显著高于相同投影面积平板结构的49.9%。此外，圆柱对称结构可降低装置对来流方向的依赖，适应自然环境中的风向变化。

图3. 涡旋辅助的流场调控增强雾气收集

为拓展大气水收集在无雾及干旱环境中的应用，研究团队进一步集成太阳能光伏与半导体制冷模块，构建主动冷凝系统。在25 ℃、90% 相对湿度条件下，冷凝速率达9.7 千克 /（平方米・小时）；即使在40 ℃、50% 相对湿度条件的高温干燥环境中，仍可达2.4千克 /（平方米・小时）。团队还在山东海岸、北京、湖南农田和云南干热河谷开展实地测试，验证了系统对不同气候环境的适应性。理论推算表明，该系统单位面积年集水量可达当地年平均降水量的约8倍。

图4. 主动冷凝模式下的冷凝集水及多气候区实测应用

除主动制冷外，研究团队利用金属BCF的高导热性开发了被动冷凝灌溉模式。将装置下部埋入土壤，上部通过空气及夜间天空辐射散热；当表面温度低于露点时，水蒸气在表面冷凝，并经仿生刺、孔和沟槽直接输送至土壤。实验显示，装置与环境最大温差约9.6 ℃，运行一夜后可在周围形成直径约20 至 25 厘米的湿润区域，24 小时平均集水速率达895.6 克 /（平方米・小时）。经过100次干湿循环及长期户外暴露后，装置性能、结构和表面形貌仍保持稳定。

图5. 土壤冷源辅助的被动冷凝系统设计及产水性能

为评估农业应用潜力，研究团队开展了植物培养和户外种植实验。小麦室内培养中，仅依靠夜间被动冷凝获得的水量，无需人工浇水，其幼苗生长速度、株高和生物量与人工灌溉组相当。油菜户外种植实验中，集雾器（BCF）组相比空白对照组植株生长状况显著提升，并且油菜侧根呈现向装置生长趋势。

图6. BCF用于直接灌溉及根区供水应用

该研究将大气水收集拓展为捕获、冷凝、输运与根区供水一体化的多模式农业供水系统，可减少储存和二次输运损失，为干旱和半干旱地区提供了一种低能耗、分布式的农业补水新路径。

论文链接： https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.78356