大自然一直在激励着科学家。有些想法仍在研究中，例如受海狸启发的超保暖潜水服。但其他一些已经成为人类生活的一部分，比如尼龙搭扣(基于牛蒡毛刺)和日本子弹头列车(仿照翠鸟狭长的喙)。

蝉启发了我的团队最近对自清洁表面的研究。

保持汽车窗玻璃一尘不染就像是一场与污垢和灰尘的永无休止的战斗。但像蝉这样的昆虫有一个令人着迷的技巧，可以让它们的翅膀保持一尘不染，而昆虫不需要付出任何努力。它可能是让我们免去经常清洁麻烦的关键。

我的团队的研究调查了这种自清洁过程背后的机制。

由于蝉翼的特殊纹理，晨露在其上凝结，逐渐成长为小水滴。当这些液滴相互碰撞或从昆虫的翅膀上滚下来时，它们会去除灰尘颗粒和微生物。

蝉并不是唯一进化出自我清洁身体的昆虫。许多蝴蝶都有可以自我清洁的翅膀。其他生物，如壁虎和某些植物叶子，如莲花和水稻，也像蝉一样利用水滴运动来保持自己免受灰尘侵害。这些移动的液滴还有助于去除细菌，从而降低感染的风险。

如果液体洒在大多数表面上(想象一下翻倒的咖啡杯)，它只会散布到整个区域并停留在那里。

但由于工程师所谓的“超疏水性”或极端防水性，露珠在蝉翼上的表现有所不同。蝉翼的表面包含数千个微小的涂有蜡的锥体的复杂排列。机翼上的水滴呈现珠状形状，因为它们希望尽量减少与机翼表面的接触。这是由于蜡具有排斥水的作用，而圆锥形尖端可以防止球形水滴渗入翼膜。

这看起来就像一个完全吹好的气球放在钉床上。它不会弹出，因为压力分布在所有指甲上。对于水滴，涂蜡的锥体有助于水滴在蝉翼上轻松移动。

水滴相互接近、合并，将灰尘颗粒拉到下面，然后将其从表面带走。热气球的配置如第三张图片所示。图片来源：S.Perumanath

跳跃和滚动的水滴

先前的研究表明，重力使较大的水滴从蝉的蜡质翅膀上滚下来，在旅途中带走大量污染物。

然而，到目前为止，较小的水滴(太小而无法被重力拉动)如何拾取污垢仍然难以捉摸。我们发现，随着时间的推移，小水滴会与相邻的水滴合并。

合并的液滴从表面跳出，而不是滚落。在跳跃过程中，水滴将呈现出类似于即将从地面起飞的热气球的形状。我们的研究表明，这种热气球形状对于使液滴能够将污垢从表面带走至关重要。

跳跃的水滴

事实证明，当液滴处于热气球形状时，正是液滴的表面张力吸附了污垢。表面张力是暴露在空气中的液滴保持球形的趋势。当水滴形成下面有污垢的热气球形状时，它会尝试重新形成球体。在此过程中，它会无意中将污垢从表面拉走。

我们还观察到，水滴无法以这种方式去除所有污染物。例如，在蝉翼上，水滴可能能够去除微小的沙粒，但不能去除由烟灰制成的沙粒。

我们还发现，无论液滴是跳跃还是滚动，从表面去除污染物的机制都是相同的。当较大的水滴滚过污垢时，其表面会变形。液滴将尝试保持其自然的球形形状，这将像合并的液滴一样，将污垢从表面上拉下来。

自然工程

未来，工程师可以将我们对蝉翼的了解融入到产品设计中，我们可能不再需要泼水、擦拭窗玻璃和其他表面，因为它们会自行清洁。

想象一下可以自我清洁的摩天大楼窗户、太阳能电池板和监控摄像头镜头。超疏水涂层还可以帮助防止冬季各种表面(例如汽车挡风玻璃)结霜。

这将是我们现有基础设施即将升级的一个很好的补充，同时还有以植物叶子结构为灵感的高效太阳能电池板和以白蚁丘为灵感的建筑，在世界各地的城市中提供更有效的通风。

即使在最城市的地方，大自然就在我们周围。

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标签：表面水滴污垢