在工业生产和日常生活中,流体定向输送有着广泛且重要的应用。本文从天然仙人掌刺(锥形微柱)上无外场驱动的液体定向输送现象出发,通过流体动力学仿真模型研究和实验验证,揭示了锥形微柱上液体自发定向输送现象的机理,总结了锥形微柱上液滴定向输送的一般规律(锥形微柱锥角小于10°,尖端直径小于80μm,表面接触角小于54.5°),为实现液体自发性定向输送功能的锥形微柱的设计和加工提出了新途径;为克服常规锥形微柱上液体定向输送距离受到锥形微柱长度限制的缺陷,本文设计了一种用于长距离定向传输液体的阶梯状锥形微柱结构,并开发出相应的流体动力学仿真设计模型,提出了用于加工此类微结构的交替型腐蚀/保护加工新方法,通过实验探究,揭示了液滴克服两节锥形微柱转折处实现连续定向输送的机理,总结了关键参数的最佳范围(倾斜角度在0-25°,接触角大小为50°,润湿性修饰处理的时间为5分钟),并证明了阶梯状锥形微柱结构输送液滴可实现的最大加速度高达5倍重力加速度,液滴输送距离较传统方案增加了一倍,采用该结构的水雾收集装置的集水效率较常规方案提高了53.5%;本文还将阶梯状锥形微柱结构推广到水下气泡的精确操纵,通过理论研究和实验探究,揭示了阶梯状锥形微柱实现水下气泡高效捕捉和连续操纵的必要条件(表面同时具备亲水基团和微纳复合结构)并由此提出了气泡润滑技术以提高阶梯状锥形微柱的表面特性。讨论了水下气泡输送现象背后的机理,总结了阶梯状锥形微柱外形尺寸作用于气泡输送过程的一般规律,研究了阶梯状锥形微柱结构的操纵能力范围(气泡速度可控范围为113.9±10.3至309.1±5.8 mm/s,输送角度15°至60°),归纳了实现可控气泡输送的一般方法,并设计和加工出一种螺旋阶梯状锥形微柱结构实现了对水下气泡的三维操纵。本文对设计和加工高效的流体定向输送结构和器件提供新思路和新方法;文中展示的锥形柱子微柱、阶梯状锥形微柱和螺旋阶梯型锥形柱子结构在纳米摩擦发动机、水雾收集、油水分离、水下气体收集和水下气体反应等领域具有广泛的应用价值。