仿生科学「道法自然」 从水滴获取灵感 破解著名科学难题｜研之有理
发布时间：17:00 2026-08-15 HKT
《道德经》有「道法自然」之说，意指人类应顺应万物自然的规律，与天地和谐共生。仿生科学亦是如此，透过观察、拆解自然规律，再把这些理论转化为可落地的方案，从大自然中看似寻常不过的现象，寻找解决水资源、能源、环境等全球可持续难题的创新钥匙。我与研究团队秉持这科研理念，以自然启发创新，研发各种绿色、高效、低耗的可持续工程技术。
无数微观规律叠加结果
从仿生科学角度，地球可被视为一个巨型实验室：自然界演变悠悠数十亿年，可说是一场持久的「自然工程实验」，能够留存至今的生物结构、生态机制与环境循环系统，都是经过长时间演化筛选，沉淀出的最优方案，顺应物理规律之余，更实现节能、高效、节省资源的特质。
古有诗句：「盈盈荷上露，灼灼如明珠。」古人早已留意到露水清晨落在荷叶，会像明珠般来回滚动。这背后其实牵涉热流体、界面张力与表面结构的协同作用：荷叶表面布满纳米级微小柱子，可以改变液体的附着行为，当水落下时，这些柱子会顶着水滴，令其能够在上面滑动，引发自我清洁的排污效应。
又例如，水滴接触烧得通红的铁锅时，水不会瞬间气化蒸发，反而像小珠子般悬浮跳动。原因在于锅面温度过高，水滴底部瞬间气化，形成一层蒸汽膜，把水滴与高温表面隔开——这就是著名科学难题「莱顿弗罗斯特效应」，它令液体难以直接接触高温表面，无法实现快速冷却。
这些数不完的自然现象正是一项项仿生研究的起点，其重点不在于「照搬自然外形」，而在微米甚至纳米尺度上，解读现象背后所隐藏的物理机制，再「翻译」成可应用技术——其实宏观大自然的运行，本就是无数微观规律叠加后的结果。
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科学原理到可持续方案
我与团队深入剖析水滴于荷叶表面在微观尺度下的流动与散热规律，把相关机制「放大」到工程尺度，研发出仿效荷叶结构的材料表面。这种材料具极佳的疏水性，可用于防止金属表面如飞机机翼、引擎积冰。
我们又拆解了「莱顿弗罗斯特效应」背后的物理机制，设计出一种具特殊微观结构的新材料，它既有排走蒸汽的「排气通道」，也有能抓住液体的「锚定结构」，有效抑制该效应，令在摄氏过千度的极端高温下，水滴仍能在材料表面快速铺展并实现冷却。
大自然还有林林总总的秘密，仿生工程当然亦远不止关乎高温冷却。尤其，自然界看似微弱的能量与微机制，其实可以被「翻译」成低功耗、分散式系统的关键能源技术。我们就曾利用水滴与表面互动所产生的电荷累积及释放机制，配合类晶体管结构放大发电效果，研发出强化版的「水滴发电机」；又成功复制真菌能以渗透吸水迅速蓄能、膨胀，继而自行弹射孢子的现象，发明出具自主喷射机制的特殊表面，可用于能量收集。
「道法自然」的科研真谛，就是承认并学习大自然的智慧：以最少能耗、最低资源消耗，达到稳定而可持续的性能。仿生与工程科学所研究的「自然」，不囿于外观表面，而是深入现象背后，提炼出最前沿、最可验证的机制，并进一步发展为可重复、可推广的理论框架，将这些方法迁移到更多场景。
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「灵感」触「法」：仿生科学使命
从荷叶露珠的滚动启发自洁与减污，到以仿生表面设计促使人们重新思考水、气、热如何在界面更有效互动；再把雨滴微能量转化为可用电能，并从真菌机制延伸到分散式能源系统——只要能提炼出可验证的理论框架，「灵感」便可化为「方法」，在安全、能源与环境等议题上带来更长远的影响，真正开物成务，以知识推动人类福祉。
理工大学协理副校长（研究）、研究生院院长、郭氏集团仿生工程教授、机械工程学系仿生工程讲座教授 王钻开
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文：理工大学协理副校长（研究）、研究生院院长、郭氏集团仿生工程教授、机械工程学系仿生工程讲座教授 王钻开
本文标题原为〈「道法自然」：仿生科学推动可持续工程〉。
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