从沙漠生活中获取灵感,从空气中收集干净的水

人类可以在最基本的避难所中穿行,可以从最简陋的成分中一起吃一顿饭。但没有干净的水,我们就无法生存。在缺水的地方 – 例如世界的沙漠 – 向人们供水需要工程和灌溉的壮举,这可能既麻烦又昂贵。

“我们想:’我们如何从周围的空气中收集水’”俄亥俄州立大学的机械工程教授Bharat Bhushan和俄亥俄州立大学机械工程教授Howard D. Winbigler说道。“所以,我们看着自然界已经做过的事情:仙人掌,甲虫,沙漠草。”

Bhushan的工作重点是寻找自然启发的社会问题解决方案。在这种情况下,他的研究小组向沙漠寻找生命,尽管获得水的机会有限。

仙人掌,甲虫和沙漠草都收集从夜间雾中凝结的水,从空气中收集水滴并将其过滤到根或水库,提供足够的水合作用以生存。

水滴在甲虫背上的无蜡,防水凸起上聚集,然后在凸起之间的平坦表面上朝向甲虫的嘴滑动。沙漠草在它们的尖端收集水,然后通过每个叶片中的通道将水引导到它们的根系。仙人掌在其带倒钩的尖端上收集水,然后将水滴向下引导到植物的基部。

Bhushan的团队研究了这些生物中的每一个,并意识到他们可以构建一个类似的 – 虽然更大的系统,允许人类从夜间雾或凝结中取水。

他们开始研究不同表面可能收集水的方式,以及哪些表面可能是最有效的。使用3D打印机,他们用凸起和倒钩构建表面,然后使用商用加湿器创建封闭的雾状环境,以查看哪个系统聚集了最多的水。

他们了解到锥形形状比圆柱形形状聚集更多的水 – “考虑到我们对仙人掌的了解,这是有意义的,”Bhushan说。他说,之所以发生这种情况,是因为称为拉普拉斯压力梯度的物理现象。水聚集在锥体的顶端,然后从锥体的斜坡向下流到底部,水库在那里等待。

凹槽表面比无凹槽表面更快地移动水 – “回想起来,这看起来很明显,因为我们对草的了解,”Bhushan说。在研究小组的实验中,沟槽表面聚集的水量是未开槽表面的两倍。

锥体的材料也是由重要的材料制成的。亲水性表面 – 那些允许水成珠而不是吸收水分的表面 – 聚集了大部分水。

“甲虫的表面材料是异质的,亲水斑点被疏水区域包围,这使得水更容易流入甲虫的嘴巴,”Bhushan解释说。

研究小组还对包含多个锥体的结构进行了实验,并了解到当水滴在相距1或2毫米的锥体之间聚结时会积聚更多的水。Bhushan说,团队正在继续这些实验。

到目前为止,这项工作仅在实验室层面进行,但Bhushan设想工作规模扩大,沙漠中的结构可以从雾或凝结水中收集水分。他认为,这些水可以在公共系统或水井中补充水,无论是逐个房屋还是在整个社区范围内。

这个想法有先例:在世界各地,包括智利的阿塔卡马沙漠,大型网络从雾中捕获水并将其收集在水库中供农民和其他人使用。Bhushan认为,这些网可能不是从空中利用水的最有效方式。

“供水是一个至关重要的问题,特别是对世界上最干旱地区的人们来说,”Bhushan说。“通过使用生物启发技术,我们可以尽可能有效地帮助解决向全球人民提供洁净水的挑战。”