向“海洋巨无霸”学习-鲨鱼皮仿生结构

向“海洋巨无霸”学习-鲨鱼皮仿生结构

仿生学是一门模仿自然生物系统的原理来建造人工技术系统的科学。从古代的鲁班到现代的高科技泳衣，人类一直在从自然中寻找创新的灵感。其中，鲨鱼皮的独特结构为人类带来了重要的启示，不仅在泳衣设计中得到了应用，还在多个领域展现出广阔的应用前景。

图 1 鲁班作鸟

海明威经典小说《老人与海》对鲨鱼有一段描述，“鲨鱼来了，它们游得如此之快，仿佛水中的一切都在为它们让路。它们的速度和力量让人惊叹，它们的皮肤在水中闪闪发光，仿佛是水中的战士。” 鲨鱼之所以游速惊人，很大程度上归功于其独特的表面皮肤结构。研究学者通过对鲨鱼皮肤的细微观察，发现其表面覆盖着许多与流动方向基本平行但具有间隔的沟槽状盾鳞，这些盾鳞减少了湍流涡的形成，有效地降低了壁面摩擦力，导致水在其表面上有效地流动。由于沟槽结构提高了流动中的有效起点位置，沟槽脊将壁面与湍流涡之间的距离增大，抑制由湍流运动产生的瞬时横流，从而减少壁面的动量交换。

此外，鲨鱼皮表面的微观结构还具有自清洁能力。鲨鱼皮上有各种细小的矩形结构，上面长着更小的脊骨或刚毛，不均匀地分布在表面，海底生物孢子很难附着、固定，因而无法繁衍成各种藻类或其他生物，这就防止了微生物和寄生物附着在皮肤表面，进一步降低了游动阻力。

图 2 海洋鲨鱼

图 3 短鳍灰鲭鲨及鳞片扫描电镜图：(a) 短鳍灰鲭鲨；(b) 鳞片结构

人类通过研究鲨鱼皮的结构和功能，发明了“鲨鱼皮泳衣”。这种泳衣在接缝处模仿人类肌腱，为运动员向后划水时提供动力，虽然只能减少3% 的水阻力，但在短程游泳比赛中也能决定胜负。20世纪90年代，Speedo公司基于鲨鱼皮肤结构发明了一种“快速皮肤”高科技泳衣，可减少水的阻力、提高游泳速度。2008年菲尔普斯身穿第四代“鲨鱼皮”泳衣，在北京奥运会上创造了勇夺8枚金牌的壮举。虽然鲨鱼皮泳衣能够帮助运动员取得更好地成绩，但这与奥运会依靠自身力量取胜的竞技精神不符。于是国际泳联决定从2010年起，禁止使用非天然纺织物制作的仿生泳衣。

图 4 鲨鱼皮泳衣

鲨鱼皮表面的减摩降阻原理不仅在泳衣设计中得到了应用，还在多个领域展现出广阔的应用前景。例如输运管道内壁、船体外壳、飞机机身、发动机及风机叶片等等。将医院等公共场所的门把手设计出类鲨鱼皮的表面微观结构，可以显著降低细菌的附着。仿鲨鱼皮表面的薄膜技术应用于飞机表面，可减少空气阻力，提高燃油效率和飞行速度。