充液毛细管是自然界（如植物表皮毛细胞、听觉毛细胞等）和工程领域（如MEMS微通道谐振器）中常见的一种功能结构，这些结构经常会通过振动实现功能。随着尺寸的减小，固-液界面张力在充液毛细管的振动特性的影响变得越发显著，然而固-液界面张力对于固有频率的影响规律仍不清楚。
为了解决这个问题，南京航空航天大学多功能轻量化材料与结构研究中心（MLMS）与西安交通大学生命学院仿生工程与生物力学研究所（BEBC）的研究者合作建立了基于“弦-梁结构”的充液毛细管振动理论模型（图1），通过求解特征方程分析了固-液界面张力对悬臂充液毛细管振动特性的影响规律，并通过细玻璃毛细管实验对该理论模型进行了验证。研究发现：界面张力会降低毛细管低阶振动模态的固有频率；毛细弹性数、长细比、内外径之比增大会导致高阶的模态转换产生，从而引起固有频率的非单调变化；对于低阶模态，毛细弹性数、长细比、内外径之比增大会诱导模态消失或产生。该理论将为高精度充液毛细管型传感器设计提供指导。
图1. 充液毛细管“弦-梁结构”振动模型（a）及固液界面张力改变引起的固有频率漂移（b）
近日，该成果以“Vibration of a liquid-filled capillary tube”为题的论文发表在生物材料力学领域著名期刊Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials上。该论文是由南京航空航天大学刘少宝博士（第一作者）为论文和BEBC本科生吴宇飞（共同一作）在BEBC徐峰教授和MLMS卢天健教授（均为通讯作者）的共同指导下完成，论文的其他作者包括MLMS杨帆博士，BEBC博士生李墨筱、本科生寇兴和雷昌盛。该工作得到了国家自然科学基金等的支持。
MLMS是南京航空航天大学大力支持建设的交叉学科研究中心，旨在通过工学、理学、生物学和医学等学科的紧密交叉结合，运用哲学、自然科学和工程技术的原理和方法，多角度、多层次研究材料结构与功能的关系，为极端环境下的装备和生命体保驾护航。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2020.103745
