導(dǎo)讀:人類在尋求技術(shù)創(chuàng)新的過程中,殊不知有時(shí)答案就藏身于大自然的設(shè)計(jì)之中。在自然界中,掛著閃閃發(fā)光的露珠的蜘蛛網(wǎng)經(jīng)常因其精致的美麗而常常受到贊賞。然而,你能想到它有可能成為檢測(cè)空氣傳播病毒的高尖端工具嗎?答案是肯定的。
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2023-11-3 21:28 上傳
2023年11月3日,南極熊獲悉,仿生創(chuàng)新領(lǐng)域?qū)<摇⒏ゼ醽喞砉ご髮W(xué)機(jī)械工程系程江濤副教授在美國-以色列兩國科學(xué)基金會(huì)(BSF) 的資助下,程教授和他的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)仿生技術(shù),將蜘蛛網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍?duì)新冠病毒和其他潛在病原體等有害空氣傳播顆粒的早期預(yù)警系統(tǒng)。更重要的是,他們正在使用 3D 打印來創(chuàng)建這些網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
從水滴到數(shù)據(jù)
程教授的專長在于將微米級(jí)和納米級(jí)流體與激光等光學(xué)技術(shù)相結(jié)合,以研究微量流體與光相互作用的方式。研究發(fā)現(xiàn),由于水滴獨(dú)特的形狀和特性,可以捕獲周圍空氣中的顆粒。這些顆?赡苁菑幕覊m到有害細(xì)菌和病毒的任何東西。
一旦這些微小顆粒粘附或進(jìn)入液滴內(nèi)部,研究團(tuán)隊(duì)就會(huì)使用激光來識(shí)別它們。當(dāng)激光照射到液滴時(shí),它會(huì)在內(nèi)部反彈,獲取這些顆粒的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)就像指紋一樣,讓團(tuán)隊(duì)實(shí)時(shí)了解液滴內(nèi)的內(nèi)容。
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△程江濤,弗吉尼亞理工大學(xué)副教授
小蛛網(wǎng),大作用
然而,掃描單個(gè)水滴并不實(shí)用。這就是蜘蛛網(wǎng)的用武之地。被露水覆蓋的蜘蛛網(wǎng)是多個(gè)水滴的天然載體,而蜘蛛網(wǎng)本身的絲非常適合引導(dǎo)程的光束。從本質(zhì)上講,蜘蛛網(wǎng)變成了一個(gè)內(nèi)置的傳感器系統(tǒng),絲和水滴一起工作。
然而,程的團(tuán)隊(duì)遇到了障礙。為了有效地檢測(cè)病毒,每個(gè)液滴中需要更多的顆粒。他們通過使用附近的電極充電并將更多顆粒吸引到網(wǎng)上來解決這個(gè)問題,從而提高檢測(cè)效率。
完美的網(wǎng)絡(luò)預(yù)警系統(tǒng)
為了使他們的愿景成為現(xiàn)實(shí),研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向 3D 打印。他們混合使用天然和合成材料,制作出既柔軟又耐用的仿生蜘蛛網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)由柔性材料制成,內(nèi)部含有特殊液體。這種材料有助于纖維網(wǎng)絡(luò)保持其形狀并捕獲微小的水滴。為了保持纖維網(wǎng)處于良好狀態(tài),他們使用紫外線固化內(nèi)部的液體。
打印過程包括首先創(chuàng)建一個(gè)中空的網(wǎng)殼,然后將流體注入其中,最后將其固化以確保穩(wěn)定性。這些工程網(wǎng)結(jié)構(gòu)不僅能有效地容納水滴,還能確保激光穿過結(jié)構(gòu)。
創(chuàng)建合成網(wǎng)后,下一步是分析它捕獲的粒子。該團(tuán)隊(duì)與弗吉尼亞州漢普頓大學(xué)副教授強(qiáng)樂合作,正在開發(fā)一款智能手機(jī)應(yīng)用程序來提供這些結(jié)果。這可以為有關(guān)空中威脅的即時(shí)警報(bào)鋪平道路。
程預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用,從環(huán)境保護(hù)到監(jiān)測(cè)傳染病和確保全球安全。這位專家也是弗吉尼亞理工大學(xué)流體物理實(shí)驗(yàn)室的主要研究員,他指出:“由于該網(wǎng)絡(luò)是便攜式的,并且可以在住宅和周圍環(huán)境中部署,因此它在環(huán)境保護(hù)、傳染病監(jiān)測(cè)、法醫(yī)學(xué)和全球安全。每個(gè)部署的蜘蛛網(wǎng)傳感器都可以為所有人的健康和安全提供實(shí)時(shí)信息。我們期待看到它部署后的效果如何。”
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△變異病毒。圖片由牛津大學(xué)提供。
弗吉尼亞理工大學(xué)機(jī)械工程系表示:“程教授的團(tuán)隊(duì)已獲得一筆資助,用于制造檢測(cè)空氣傳播病原體的蜘蛛網(wǎng)。任何害怕蜘蛛的人可能會(huì)說,蜘蛛本身都已經(jīng)附著了許多令人生厭的病菌,但不用擔(dān)心。因?yàn)檠芯咳搜街缓铣闪酥┲刖W(wǎng),并沒有八足的蜘蛛。”
快速檢測(cè)空中威脅比以往任何時(shí)候都更加重要。世界衛(wèi)生組織( WHO ) 列出了具有大流行潛力的優(yōu)先疾病清單,強(qiáng)調(diào)了未來空氣傳播病原體的嚴(yán)重性。最近引起全球關(guān)注的疾病是X 病,這是一種未知的病原體,可能引發(fā)毀滅性的大流行。世界衛(wèi)生組織于 2018 年 Covid-19 疫情爆發(fā)之前創(chuàng)造了這個(gè)術(shù)語。但英國疫苗工作組前主席凱特·賓厄姆最近的評(píng)論凸顯了潛在威脅的嚴(yán)重性。這位專家將 X 病的潛在影響與 1918 年毀滅性的西班牙流感進(jìn)行了比較,暗示它的死亡人數(shù)可能與第一次世界大戰(zhàn)的死亡人數(shù)相當(dāng)。世界衛(wèi)生組織表示,X 病可能是一種新的病毒、細(xì)菌或真菌,我們目前還沒有治愈方法。
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由于埃博拉、SARS和寨卡等其他病原體也被列入世界衛(wèi)生組織的“優(yōu)先疾病藍(lán)圖清單”,成為下一次致命大流行的潛在原因,所以程教授研究的意義不容忽視。他的創(chuàng)新方法將受自然啟發(fā)的解決方案與先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合,可能成為抵御此類未來病毒威脅的關(guān)鍵防線。
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