一种新型仿生一体化系统，用于同时采集雾水与供能

将雾转化为有用资源

在许多干旱地区，人们同时面临两项问题：缺乏清洁水与可靠电力。本文研究了一种新型装置，通过从雾中提取水分并将落下的水滴转化为瞬时电能来同时应对这两项挑战。该系统受沙漠植物和昆虫启发，旨在在偏远离网地点工作——在那里，哪怕是少量的水与电也能对粮食生产产生重大影响。

向沙漠生命学习

自然已经解决了从稀薄空气中捕获水的问题。纳米布甲虫、仙人掌刺和猪笼草边缘都能高效收集并引导微小水滴。研究团队借鉴了这些生物的关键特征，制成了一种带有分支沟槽的金属表面。这些沟槽经过精心设计，使得某些区域亲水而其他区域拒水。当雾流过时，微小水滴在表面着陆、合并并沿着这些通道被牵引而不会滞留，类似于水沿叶脉流动。

雾收集表面的工作原理

水收集部分的核心是一块称为协同仿生树枝状结构表面的图案化钛板。该表面通过激光蚀刻和光学处理制成，形成微小脊线并在不同区域之间产生渐变的润湿性。当雾碰到该表面时，水滴先在超亲水的侧枝处形成，然后被牵引向主干并沿着槽流向集水点。沟槽的形状、分支的坡度以及润湿性的渐变共同作用，使水滴朝单一方向移动。测试显示，最佳设计的采集效率接近每平方厘米每小时十克水，是普通钛板的四倍多。

将落滴转化为电能

系统的第二个关键部分是基于水滴的摩擦电纳米发电机，这种装置能把水滴的运动转为电信号。当雾水聚集并从收集器滴落时，水滴落到一块倾斜的板上，该板由柔软的橡胶状材料与一种名为MXene的导电材料混合制成。当每个水滴撞击并在该涂层板上摊开时，表面电荷重新分布，隐藏的金属层之间会产生微小的电流脉冲。通过选择合适的水滴大小、落差高度和倾角，团队在保持表面足够疏水使水滴滚落而非形成粘膜的同时，提高了电流和电压输出。

将水与电用于植物生长

为证明该组合雾收集器与发电机能够实际发挥作用，研究人员构建了一个小型腔室，内衬二十五个图案化金属单元。在类似雾的条件下，该模块在一夜之间每三分之一平方米收集约1.6升水，足以满足干旱气候下一个人大部分的日饮用水需求。储存的水随后通过重力沿滴灌管流向发电板，最后进入盛有大麦种子的土壤。微小的电力脉冲被用于点亮代表植物生长灯的小灯，而采集的水则用于灌溉种子。几天以来，受雾水灌溉的大麦比未灌溉的对照组生长得更高更健壮。

面向潮湿但缺水地区的新工具

完整系统表明，雾既可作为水源，也可作为温和的能量来源同时利用。特殊表面能够高效捕获并引导水滴，而基于水滴的发电板则能可靠地产生适合传感器或小型照明等用途的低功率电能。由于该方法仅依赖局部湿度与重力，因此非常适合沿海沙漠及其他空气湿润但缺乏液态水和电网的地区。尽管仍需进一步工作以实现完整的水质净化及对金属部件的长期保护，但这一仿生设计为小型自给自足装置在缺水地区支持农业与日常生活提供了切实可行的路径。

引用: Gao, H., Li, L., Hu, Y. et al. A novel bioinspired integrated system for simultaneous fog harvesting and energy supply. Microsyst Nanoeng 12, 174 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01240-1

关键词: 雾水采集, 水与能源, 仿生表面, 摩擦电纳米发电机, 离网农业