列日大学利用3D打印通过表面张力雕刻出可控液体浮雕景观

2025年6月19日，南极熊获悉，比利时列日大学（University of Liege）GRASP实验室与布朗大学合作，开发了一种利用3D打印锥形棘状结构和表面张力来塑造水面的方法。通过精心排列这些结构，研究人员将单个“弯月面”组合成更大的液体浮雕，使它能够在重力作用下引导颗粒。

这项实验展示了利用定制的3D打印棘柱结构操控液体界面以实现对漂浮物体的三维操控。通过精确设计棘柱的几何形状，可以在液体表面创建特定的高度梯度，从而引导和控制微小固体或液体颗粒沿着预定的路径移动。这一创新为微观颗粒运输、分拣以及海洋污染控制等领域带来了全新解决方案。

△相关研究已发表在《自然通讯》期刊，题目为“用于可编程液体形貌和微操作的3D打印棘柱”（传送门）

可编程特定液体形貌

毛细作用是由液体表面张力驱动的自然现象，常在液体边缘形成微妙的曲率，称为“弯月面”。如果将多个弯月面堆叠起来，塑造成复杂、动态的液体地形，会怎样？研究团队以此为基础，首次实现了多个弯月面的集成和协同，通过精密排列的3D打印尖峰阵列，将单个弯月面“叠加”，进而塑造出复杂且可控的液体浮雕地形。通过调节棘状结构的高度和间距，团队成功构建了可编程的液体表面景观，并以液体形式重现了布鲁塞尔地标原子球塔。

△面围绕锥形棘状结构形成的形状，展现了液体如何在这些棘状结构之间弯曲上升

项目负责人Megan Delens博士表示：“每个尖峰都会在周围形成独特的弯月面。通过精确排列和紧密布局，我们能够将这些效应融合，形成大尺度的动态液体地形。”

Nicolas Vandewalle教授指出：“这种方法为移动和分拣微小漂浮物体（如弹珠、水滴、塑料颗粒等）提供了全新路径”。本项技术不仅具有视觉冲击力，更在功能性应用上展现出巨大潜力。借助液体表面的可编程地形，研究人员实现了无需外部能量输入的漂浮颗粒自动分拣。随着水面倾斜，物体会依据自身质量自然分离，实现高效、被动的微观运输和分类。

△通过单独修改每个棘柱，液体表面不再保持平坦，而是形成了一种“程序化”的液体景观

总的来说，研究人员利用毛细管力来精确操控微流体系统中的液体界面，从而实现对漂浮物体的精细控制。这种技术不依赖于传统的泵或马达等动力装置，而是通过设计特定的3D打印棘柱结构来操控液体界面，利用毛细管弯月面的叠加效应。这为微流体技术、污染控制以及液体机器人技术等领域开辟了新的可能性，为实现更高效、更精确的液体操控提供了新的手段。

最后，研究人员的目标是实现液体表面形状的动态、可编程调控。展望未来，研究团队计划引入对磁场敏感或可变形材料，使尖峰阵列具备动态响应能力，从而实现对液体表面的实时控制。