一张3D打印鲨鱼皮，揭开全球航空科技大变局
一张3D打印鲨鱼皮，揭开全球航空科技大变局
鲨鱼，这个在地球上存活了数亿年的物种，以其强悍的游猎能力和极致的游动效率而闻名。长期的进化使得鲨鱼的皮肤形成了独特的结构——表面覆盖着成千上万个细小的牙齿状鳞片，被称为小齿。这些小齿高度有序地排列，如同整齐的瓦片，且形状略有不同。有意思的是，小齿的背部略微凸起，而前部略微内凹，这种非对称的外形赋予了它们减阻、增升力的神奇特性。
当鲨鱼在水中游动时，小齿会产生有利的微小漩涡，像无数小小的"涡轮"一样，将鲨鱼向前推进。正是得益于这层特殊盔甲，鲨鱼才能以惊人的速度劈波斩浪，成为海洋中的游泳健将。
那么，鲨鱼皮的奥秘是否有可能被运用到人类的工程设计中呢？近十年来，多国科学家受鲨鱼皮启发，利用3D打印技术，在飞机发动机外壳上制造出一种新型仿生结构，取得了瞩目的突破。
鲨鱼皮减阻的应用价值
鲨鱼皮上布满了成千上万个微小的凹槽(riblets)，可以有效组织近飞机表面的湍流，从而减少摩擦阻力。
从上图可以看出，再没有鲨鱼皮减阻情况下，机翼表面的空气气流排布混乱气流较大，而经黄色区域（鲨鱼皮减阻区）之后，表面气流非常整齐，大幅减少阻力。
这种看似简单的原理和结构，蕴藏着巨大的应用价值。据测算，在商业航空中应用鲨鱼皮技术，每年可节省高达200亿美元的燃料，减少9200万吨碳排放。此外，减阻还可提高飞机的航程、载荷和续航时间等任务能力。
事实上，航空业一直面临着严峻的燃料消耗和碳排放问题。每年商业航空在燃料上的支出接近2000亿美元，产生近9亿吨碳排放，而这些支出主要用于克服飞机的阻力。尽管航空业面临成本和气候挑战，但由于依赖燃油资产，短期内无法完全过渡到可再生能源。在这种背景下，鲨鱼皮的减阻技术无疑为航空业的绿色发展提供了一条充满希望的路径。
哈佛团队3D打印鲨鱼皮：揭秘精妙设计
事实上，利用3D打印技术复制鲨鱼皮，哈佛大学的科研团队一直在努力。乔治劳德教授与同事通过micro-CT扫描，对短鳍鲭鲨的皮肤进行了精细成像，并据此建立了高精度的三维数字模型。接下来，他们使用双材料3D打印机，以不同材料分别打印出柔性基底和硬质鳞片，最终实现了人造鲨鱼皮的高仿真制造。
当把这种人造皮肤附着在桨叶上做测试时，其游动速度可提升6.6%，能耗则降低5.9%。劳德教授表示，如果考虑鲨鱼一生中持续的游动，这一改进效果是非常惊人的。更有意思的是，这些齿状结构除了能减阻，似乎还能增加升力。哈佛大学的另一个研究团队将短鳍鲭鲨皮肤的三维模型做了参数化处理，然后在飞机机翼表面3D打印出各种排列的齿状体，经风洞测试发现，某些排列方式可使升阻比提高多达323%。
这意味着，相比传统的涡流发生器，仿鲨鱼皮的新型涡流发生器设计，其空气动力学性能更加出色，有望广泛应用于飞机、无人机、风力发电机等领域。研究团队披露，他们在机翼表面3D打印的微小齿状体，深度仅为0.15毫米，小于人的头发丝，整个机翼表面的齿状体多达数千个。能实现如此精细和复杂的3D打印，得益于先进的光固化技术。此外，他们还利用流体力学模拟优化了齿状体的形状、尺寸、排列方式等参数，使其性能达到最优。
澳美合作，打造航空器“鲨鱼皮”表面
将鲨鱼皮的微结构应用到航空器表面，用3D打印技术复刻最早的商业化案例来自于澳大利亚一家公司MicroTau。
其开发了一种名为"直接非接触微制造(DCM)"的3D打印工艺，利用微图案化的紫外光，在涂覆了UV油墨的薄膜基底上选择性固化出鲨鱼皮的微结构。暴露在紫外光下的部分会立即固化并"生长"出齿形凹凸结构，而未暴露的部分则保持液态，可在后续工艺中溶剂冲洗去除。通过光固化过程可精细控制齿形凹凸的形貌参数。其声称单台设备的产能可达到100平米/分钟，有利于实现规模化生产。
目前，洛克希德·马丁对该技术进行了多次测试，实现了7%的摩擦阻力降低。公司还与美国空军签署了5份合同，为其传统运输机研制鲨鱼皮。最近，他们首次在真实飞行条件下测试了鲨鱼皮，实现了1%的速度提升(相当于2%的净效率提高)，预计全机应用可达4%的净效率提高。以美军C-17A运输机为例，5年内可节省3000万美元燃料。
中国“鲨鱼皮”航空发动机：一体化成型
据海外《南华早报》近日报道，中航发的科学家最近开发出一种新型涡扇发动机3D打印结构，其设计灵感来源于鲨鱼皮肤上的盾鳞。这种仿生学结构不仅强度高，而且可以大幅降低空气阻力，提升发动机效率。
报道中未见具体图片及研究成果的文章来源。报道指出，采用该结构的发动机外壳由钛合金制成，较传统铸件减重25%。而最令人印象深刻的是，这种新型结构可以使发动机的空气阻力降低多达10%。实验室测试证实，它完全满足机械性能、减重和可制造性的要求。
《南华早报》提到，“在一个名为中间机匣的巨型部件上实现了这一壮举。中间机匣直径超过一米，仿生凹槽深度仅为 15 至 35 微米，比人的头发还细。”
中间机匣是航空发动机最重要、最复杂的承力结构部件，它不仅连接发动机前进风扇与压气机，也是发动机与飞机机身的连接部分。
若报道为真，我国航空技术将细小凹槽的鲨鱼皮仿生概念直接用于飞机发动机，比起澳大利亚应用于机翼表面，更显硬核实力。
用于机翼表面的鲨鱼皮粘贴层依赖于光固化打印的非金属材料加强，而仿生齿形凹凸和发动机结构通过钛合金一体打印则更能提高发动机整体效率：同时实现一体化成型（不需要二次涂贴）、减阻和轻量化等多重优势。
写在最后
总结来说，鲨鱼皮仿生技术的突破，对航空领域具有革命性的意义。对于军用飞机来说，减阻增升不仅意味着节省宝贵的燃料，更意味着战斗力的跃升—航程更远、载荷更大、续航更长，这都将极大地提升空军的作战能力和战略威慑力。而对于民用航空来说，鲨鱼皮技术带来的4%节油率，放眼全球航线网络，累积下来将是一个天文数字。如果鲨鱼皮技术能在商业航空中得到规模化应用，其经济效益和环保效益都将是不可估量的。
毋庸置疑，航空航天工业是一个技术驱动和创新引领的行业。而生物进化，恰恰是大自然经过亿万年优胜劣汰留下的最佳技术方案库。从鸟类的翅膀、蝴蝶的鳞片、到鲨鱼的皮肤，每一个看似不起眼的生物结构，都蕴含着宇宙的精妙设计。而3D打印，作为一种可以轻松复制自然造型的先进制造技术，正是将仿生智慧转化为工程应用的关键一环。可以预见，随着材料科学、微纳制造、人工智能等领域的不断进步，3D打印与仿生学的结合，将引领航空科技的新变局。