“阻力”出沒在我們生活的各個角落裡，時常會給人們添些麻煩。任何涉及到空氣、水等流體的運動都會遇到摩擦阻力的問題：小到影響游泳比賽中選手的發揮，大到給設計製造汽車、高鐵、船舶、飛行器等交通工具及流體輸送管道等帶來挑戰。
長久以來，人們絞盡腦汁，通過學習各種流體力學理論知識，總結工程上的經驗，盡一切努力來降低流動阻力。
有人想到，大自然中那些經歷了千萬年洗禮的生物，經過漫長的自然選擇選擇，逐漸掌握了適應環境的各種竅門，我們直接向它們學習，也許可以少走很多彎路？
格雷的錯誤判斷
1936年，英國生物學家格雷根據海豚的生理學特性，對海豚能夠產生的力量進行了估算並得到了一個驚人的發現——海豚遊動時理論上消耗的能量是它實際攝食所獲得能量的７倍！
因此，他推斷海豚的皮膚一定具有特殊的抗阻力特性，這隨即引發了人們對大型海洋動物表皮結構的大範圍深入的研究。
海豚的皮膚具有特殊抗阻能力？圖片來源：來自Pixbay
直到70多年後的2008年，美國科學家團隊錄製了兩隻海豚遊動的過程。他們採用PIV（Particle Image Velocimetry，粒子圖像測速法）與力測量工具結合的水流診斷平臺，測量得出：海豚自身所產生的力實際上遠比格雷想象的大得多。由此才終於證明，格雷其實極度誇大了海豚皮膚的減阻性能。
中科院-工程熱物理所的PIV測量設備。圖片拍攝：張子良
左圖是普通攝像機拍攝的圖片，右圖是經過PIV處理後的圖片，箭頭表示水流移動的方向，顏色表示速度的大小，顏色越深速度越大，紅色和深藍色箭頭表示最快速移動的水。
圖片來源：Rensselaer / Tim Wei
粗糙皮膚也暗藏玄機
光滑皮膚的阻力小，似乎是無需置疑的常識。所以，科學家們就沿著“表面越光滑，流動阻力越小”的道路緩慢前進。
一個偶然的機會，他們發現同為大型水生動物的鯊魚，皮膚異常粗糙，遊起泳來卻不費力氣，莫非粗糙的皮膚中也暗藏玄機？
藉助顯微鏡的視角，人們看到，鯊魚皮的表面由一層呈菱形排列的盾鱗所覆蓋，這些細小鋒利的盾鱗只有微米尺度大小。表面有寬度約50μm的順流向棘突構成的溝槽。
20世紀70年代，NASA蘭利研究中心的研究人員發現，流向的微小突起表面能有效地降低摩擦阻力。同時，具有一定尺度的刀刃型突起，是最佳的減阻形狀。這些特徵與鯊魚盾鱗V型溝槽正好相符，不得不說，鯊魚鱗片這種看似“不科學”的設計，其實暗藏科學原理。
這種溝槽結構，除了可以保護鯊魚免於受傷或者被寄生，還使流動時的邊界層保持穩定，減小鯊魚快速遊動時表面的摩擦阻力，讓它們遊得更快。
海洋裡的冷血殺手鯊魚。來自Pixabay
通過掃描電子顯微鏡觀察到的鯊魚皮膚上的盾鱗。 圖片來源：Pascal Deynat/Odontobase
仿生鯊魚皮需要“殺鯊取皮”嗎？
這一發現，徹底打破了表面越光滑阻力越小的傳統思維方式，類似鯊魚盾鱗這種有縱向溝槽、形似肋條的表面產生的減阻效果——即“肋條減阻”，成為了湍流減阻技術中的研究焦點。
雖然肋條減阻的原因及詳細的內部機理目前還沒有得出一個統的結論。但人們通過對鯊魚微鱗片進行抽象、放大和簡化仿形加工出了粗糙的仿生鯊魚皮，已經實現了一定的減阻率。
仿生鯊魚皮最直接的應用當屬鯊魚皮泳衣。據統計，曾經在1個月內產生的16項游泳賽事新的世界紀錄中，有14項都是由穿著鯊魚皮泳衣的運動員所創造的，從某種程度上也可以反映出鯊魚皮泳衣的非凡功力了。
鯊魚皮泳衣圖片。來自某產品的宣傳圖
不過，製作這些泳衣並不需要去“弒鯊取皮”，而是通過“仿生”來實現減阻效果。其核心技術在於使用超伸展的聚合物纖維材料來仿造鯊魚的皮膚，從而降低摩擦係數。
這樣的仿生是如何實現的呢？原來，我們看到的只是鯊魚皮和泳衣這兩個具體的事物，而資深的流體力學工程師早已洞察這其中的本質，二者在他們視角中不過是兩個抽象的“三角形”。只需要通過流體力學中的“三角形相似準則”，使泳衣和鯊魚皮相似，這樣即使不用穿真正的鯊魚皮製成的泳衣，也同樣可以具備鯊魚皮類似的減阻性能。
三角形相似。圖片來源：http://anthonysnyder.weebly.com
這個“相似準則”背後的機理，就是通過控制二者某幾個關鍵參數間的比例關係，在兩個看似獨立的事物之間建立起千絲萬縷的聯繫。通過不斷試驗、對比和改進，最終得到的一個與鯊魚皮在減阻效果無限接近的“複製品”，從而實現仿生鯊魚皮泳衣的設計。
令人頭疼的摩擦阻力，與仿生鯊魚皮的未來
不過，為避免游泳比賽變成新材料泳衣的產品競技場，國際泳聯決定於2010年5月之前全球禁用高科技泳衣。
拋開鯊魚皮泳衣，我們如果可以把鯊魚皮減阻技術應用在各個領域，也可以成為實現低碳經濟和節能減排的重要途徑。
近期，德國研究所的工程師研製出一種仿鯊魚皮的表面塗層，將其鋪設在一臺風電機的葉片上進行測試，證實這種塗層可將葉片的升阻比提高30％以上（升阻比是飛行器升力與阻力之比，升阻比越高，其空氣動力性能越好）。這種塗層不僅不會增加葉片的重量，還可以提高發電效率，每年估計可將一臺風力發電機的電能輸出量提高5％至6％ 。
夕陽下的風力發電機組。圖片來源：來自於Pixabay
但是，仿生並不是完全模仿，最為關鍵的是要了解其中的機理，對其轉化吸收，才能得到更為理想的效果。或許，在減阻的過程中，人們還有許多未知的道路需要去探索。
閱讀更多 血液與醫學諮訊 的文章
