液滴在固体表面的定向运动是微流体、化学反应、雾水收集等领域的核心技术，其理论基础源于吉布斯表面自由能最小化原理。传统方法依赖预先设计的静态表面梯度（如化学、粗糙度、几何梯度）来驱动液滴，但这些方法存在固有局限：运输方向固定，液滴的运输距离与速度相互制约，且难以实现多参数独立调控。长期以来，研究人员一直在探索能否在没有固有梯度的表面上实现液滴的定向运输，以突破静态梯度设计的限制。
香港城市大学朱平安助理教授、中国科学技术大学司廷教授合作，提出了“形状演化微纤维导轨”（SEMR）系统，成功在初始无梯度的表面上实现了液滴的自发、定向运输。受多米诺骨牌效应启发，该系统由两根平行微纤维组成，通过液滴与纤维的相互作用动态产生并持续演化几何梯度，从而驱动液滴运动。这种自适应机制使得液滴运动方向、速度、距离及体积均可独立调控，克服了传统静态梯度表面的固有限制，为新一代智能流体系统（如微反应器、流体逻辑电路、诊断平台等）奠定了坚实基础。相关论文以“Spontaneous droplet transport on shape-evolving microfiber rails”为题，发表在
Nature Communications上。
研究团队设计的SEMR由两根具有刺激响应变形能力的平行微纤维构成。如图1所示，其设计灵感来源于多米诺骨牌连锁反应：当液滴接触纤维时，会引发局部形变，进而动态生成几何梯度，推动液滴沿可调控的方向运动。每根微纤维由吸湿性海藻酸盐-硅藻土外壳及偏心分布的微颗粒阵列组成，接触液滴后因不对称溶胀而发生弯曲，形成动态梯度。通过调控液滴沉积位置或纤维表面微结构的不对称性，即可实现液滴沿预设轨迹的运动。
图1 | 形状演化微纤维导轨（SEMR）的设计。 a. 受多米诺骨牌效应启发的非梯度SEMR系统设计，由两根具有刺激响应变形能力的平行微纤维组成。该系统动态生成几何梯度以驱动液滴定向运输。 b. 展示为定向水滴运输设计的微纤维的吸湿响应变形示意图。 c. 液滴沉积位置或表面微结构的不对称性，为生成动态演化梯度奠定基础。
图2直观展示了水滴在SEMR上的定向运输过程。液滴沉积后，经历三个阶段：双向铺展、不对称回缩和定向运输。在双向铺展阶段，液滴迅速沿纤维延伸形成液柱；随后，纤维因吸湿变形呈纺锤形配置，引发液滴不对称回缩；最终，纤维形成楔形结构，产生拉普拉斯压力梯度，驱动液滴稳定向较窄一端运动。整个过程中，液滴宽度与纤维楔角保持稳定，体现了纤维形变与液滴运动之间的协调互动。
图2 | SEMR上的定向液滴运输。 a. 水滴（1.8 μL，染红）在SEMR上的定向运输过程，显示液滴沉积后的三个阶段：（Ⅰ）双向铺展，（Ⅱ）不对称回缩，（Ⅲ）定向运输。微纤维排列方向与重力垂直。纤维长度Lf≈25 mm，初始间距s0≈600 μm。 b. 光学显微镜（左上）和扫描电子显微镜（SEM；右上及底部）图像，显示微纤维的结构特征、表面形貌和横截面。包覆的微颗粒形成突起（右下SEM图），硅藻土-海藻酸盐连接处形成凹谷（右上SEM图）。 c. 液滴前端和后端位置随时间变化的曲线。两端位置差定义液滴体长。 d. 定向液滴运输过程中液滴-微纤维相互作用的示意图。液滴尺寸由其宽度（Wdrop）和长度（Ldrop）表征。 e. 液滴特征宽度（Wdrop）和SEMR动态楔角（α）随时间变化的曲线。
SEMR展现出强大的运输能力与耐久性（图3）。它能够驱动液滴对抗重力上坡运动，适用于不同表面张力与粘度的液体。脱水后，纤维可恢复初始平行结构，实现系统重置。经过100次吸湿-脱水循环，其形变性能依然稳定。实验还表明，通过调控沉积位置（ε），可决定液滴向左或向右运动（图4）。当ε=0.5时，系统处于临界状态，液滴可能向任意一侧运动。
图3 | SEMR的运输能力与耐久性。 a. 时序图像显示2 µL液滴在倾斜4.5°的SEMR上坡运动。 b, c. 表面张力γ（b）和粘度μ（c）对平均运输速度的影响。 d. SEMR经历吸湿以演化动态梯度，随后脱水恢复其初始无梯度拓扑结构。 e. 环境温度对SEMR脱水持续时间的影响。 f. 经过30天和100次吸湿-脱水循环后，微纤维在吸湿过程中的偏转角度几乎不变，表明其性能稳健。
图4 | 宏观拓扑不对称性主导的选择性定向液滴运输。 a. 具有对称微结构的SEMR上的定向液滴运输。 b. 时序图像显示水滴在SEMR上根据沉积位置ε向相反方向运输。当ε=0.39时，液滴向左运动（负方向）；当ε=0.62时，向右运动（正方向）。 c. 液滴运输距离随沉积位置ε的变化关系。随着ε从约0.1增至约0.9，运输方向从负向转为正向，过渡点出现在ε=0.5。 d. 时序图像和示意图阐述由宏观拓扑不对称性主导的液滴不对称回缩动力学。
为实现更灵活的方向控制，研究人员进一步设计了具有不对称微结构的SEMR（图5）。该类纤维表面呈棘齿状，具有两个不同的倾斜角（β₁ < 90° < β₂）。即使液滴沉积在偏左位置（ε < 0.5），不对称微结构仍能主导液滴向特定方向（如正方向）运动，显示微观结构不对称性可超越宏观拓扑约束，精确操控运输方向。
图5 | 不对称微结构主导的选择性定向液滴运输。 a. 具有不对称微结构的SEMR上的定向液滴运输。 b. 时序图像显示水滴在SEMR上即使当ε=0.38时仍单向（正方向）运输。 c. 液滴运输距离随ε变化的曲线，从负向运输转为正向运输的过渡点降至ε≈0.23。 d. 时序图像和示意图描述由不对称微结构主导的液滴不对称回缩动力学。
液滴运输的动力学机制源于纤维吸湿形变所产生的动态梯度（图6）。SEMR可实现运输速度与距离的独立调控：在液滴体积固定时，平均运输速度基本不随距离变化。纤维表面的毛细芯吸作用在维持液滴-纤维相互作用中至关重要，它形成润滑液膜并促进纤维形变。若芯吸速度慢于形变，液滴可能因宽度过大而发生瑞利-普拉托不稳定导致断裂；反之，则能实现连续运输。通过提升芯吸能力（如增加水扩散系数），可显著提高运输速度。
图6 | 液滴-表面相互作用下的定向液滴运输动力学。 a. 液滴运输过程中微纤维轮廓的动态演化。 b. 对不同体积Ω的液滴，平均运输速度与距离Lt的独立控制。 c. 液滴运输过程中芯吸效应在SEMR表面的时序图像。 d. 液滴运输距离和速度随时间的变化。 e. 因宽长比C增加而导致液滴在两根微纤维间断裂的时序图像。 f. 相图显示根据特征芯吸时间tw和形变时间td划分的两种液滴行为：定向运输与断裂。 g. 不同扩散系数D的SEMR上运输距离随时间的变化。液滴体积为2 μL。
研究还展示了SEMR的多功能性与潜在应用（图7、图8）。通过表面修饰（如局部涂覆非吸湿材料），可大幅减少液滴运输过程中的液体损失，实现纳升级液滴的长距离运输。在应用演示中，SEMR可用于多液滴融合、液滴微反应器（如触发KCl与AgNO₃沉淀反应）、油滴与固体货物的定向输送，以及构建液滴驱动的输入/输出电路（通过液滴位置控制不同LED亮灭）。此外，通过预负载显色指示剂，SEMR还能用于微量液体的成分检测（如酸性物质），在生物医学诊断中具有重要潜力。
图7 | SEMR的多功能性。 a. 时序图像显示多个液滴（2 µL）沿SEMR连续运输。 b. 液滴运输速度及水损失随运输液滴数量的变化。 c. 光学图像显示0.5 µL水滴沿涂层SEMR运输。上图虚线标示有（右侧）与无（左侧）非吸湿涂层的区域边界。 d. 与无需外部能量输入的其他表面相比，单位液滴体积的运输距离（Lt/Ω）对比。绿色、红色和黄色柱分别表示已报道的具有润湿性梯度、几何结构及其组合的表面的运输性能
图8 | SEMR上定向液滴运输的应用展示。 a, b. 示意图（a）和照片（b）展示SEMR上液滴的自发融合。 c. 图b中液滴I和II的运动距离随时间变化的曲线，显示融合前液滴II的速度跃升。 d. 时序图像展示SEMR上基于液滴的微反应器。 e, f. 由水滴驱动的油滴（e）和固体球（f）的定向运输。 g. 由SEMR实现的智能流体-电子电路。水滴在SEMR上的选择性定向运输可点亮不同发光二极管（红色与绿色）。 h. 通过SEMR上液滴-微纤维相互作用进行组分检测。液滴运输后，微纤维从紫色变为黄色，表明液滴中存在酸性物质。
这项研究通过形状演化微纤维导轨，成功实现了在无初始梯度表面上的液滴自发、定向运输，打破了传统静态梯度设计的局限性。其动态自适应机制允许对运输方向、速度、距离等进行独立、按需调控，为智能液体操控提供了全新平台。SEMR在微反应器、多相物质操控、流体电路及材料检测等方面展现出广泛的应用前景，有望推动下一代智能流体系统的发展，在分析化学、货物输送、电子学及诊断等领域开辟新的可能性。
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