自然界中长期进化的生物具备的特征为人类解决工程问题提供了无数灵感。

受生物学原理启发，开发仿生技术以减少流体摩擦表面的阻力，如鲨鱼皮的微槽表面，荷叶的自清洁和防污表面就是很好的例子。

现如今能源危机日益紧迫。全世界各种交通工具因表面摩擦阻力产生大量的能量消耗，常规飞机和船舶的表面摩擦阻力约占总阻力的50%，而潜艇的比例可达70%。

在长距离管道输送过程中，泵站的动力也几乎全部用于克服地面摩擦力。

但是，在这方面大自然为人类的技术进步提供了许多灵感。

仿生表面技术简况

现如今，主要的三种仿生表面包括非光滑表面、超疏水表面和水射流表面。三种类型具有不同的减阻效果及不同的作用机理。

例如，快速游泳的鲨鱼拥有特殊的微槽皮肤以减少摩擦，荷叶表面表现出超疏水作用，壁虎脚具有超强附着力，可以爬上最光滑的表面。

生物体花费了数百万年的时间才获得了惊人的技能，我们不能仅仅复制这些功能或复制生物结构，而是需要发现其普遍原理，然后根据实际情况合理使用这些特性。

（图1）

人们普遍认为表面越光滑，越能减少它产生的摩擦力。然而，鲨鱼皮具有微槽结构，在某些湍流条件下可以大大减少摩擦。

此外，随着其他生物形态在不同尺度上的现象被发现后，对光滑表面减阻的传统观点便有了另外的解释。

各种不同表面技术的原理及应用

对非光滑表面的设计主要受到尺度的启发，比如鲨鱼皮结构可降低航行阻力，可应用于水下表面。鲨鱼的皮肤一般由许多细小的齿状鳞片组成，称为细齿，细齿形状错综复杂，细齿的大小基本位于数百立方微米。

不同个体和不同物种的鲨鱼的细齿形状在不同的地方特征也不同，这可能是自然选择，使得它们的身体部位可以适应不同的流场和不同的海洋环境。

（图2）

最初，鲨鱼皮被简化为具有三角形或矩形横截面的规则凹槽，并对这些肋条进行了流体动力学研究。

随着连续扫描显微镜的技术发展，真正的鲨鱼细齿模型才通过实验和计算模型建立起来。

非光滑表面减阻技术已经发展多年，在1970年就有人发现沿水流向下流动的具有微小沟槽（肋条）的表面可以有效降低壁面摩擦阻力。

自从有人将肋条的参数优化之后，仿生减阻技术的发展有了很大进步。为了详细了解非光滑表面的作用机理，主要采用数值计算和实验分析。

并且选取包括平板、旋转体和非光滑表面的机翼作为研究对象，目的是揭示固体与水接触时非光滑表面的流场分布和减阻特性。

通过高精度扫描和数据处理可以获得单盾比例模型，就可以了解鲨鱼皮结构如何降低涡流的扩散速度。

之后，对各种尺寸的沟槽进行了封闭通道内流检查，得知其沟槽结构有助于降低对流层压的振幅。

经过对三种不同肋条的阻力特性和涡流结构进行比较，可以获得最佳肋条参数，就能进一步测量真实鲨鱼细齿的微观结构，以此构建数字模型以探索流体动力学效应。

同时也说明细齿的形态不均匀性可能在局部湍流的被动控制中起着不可忽视的作用。

除了减阻外，鲨鱼皮细齿还可以产生升力并增加升阻比，但是细齿大小对流体动力学也有影响。1倍的细齿尺寸可以显著减少阻力，而1.5倍和2倍的尺寸会导致更高的阻力。

虽然有人已经证明仿生非光滑表面的减阻效果非常明显，但是减阻机制仍然还存在争议，因为在湍流中还存在一些问题没有解决。现如今主要有“二次涡流说”和“突出高度说”两个概念来解释其机理。

二次涡有效削弱了低速流体的上抬能力，从而降低了湍流的爆发强度，提高了流体在边界层运动的稳定性，最终使得湍流摩擦阻力减小。

对于突出高度理论，在突出高度以下的沟槽中流动大部分被粘性阻挡，使流动更稳定，相当于增加了粘性底层的厚度。因此，肋表面可以起到减弱边界层中的整体湍流并减少摩擦的作用。

此外，鲨鱼皮盾鳞攻角的存在降低了湍流强度，攻角可能导致凹槽谷部出现小的回流。

鲨鱼皮表面分泌的粘液对减阻具有积极作用。仿生鲨鱼皮表面若与聚合物添加剂相结合，最大减阻率可达80%。

（图3）

同时，基于生物鲨鱼皮形态和粘液纳米长链的人工复合减阻表面与光滑皮肤相比，可以达到20%以上的减阻效果。

非光滑表面和超疏水表面都是微观结构，微观结构对减阻效果起着重要作用。

尽管仿生减阻理论众多，但由于缺乏合适的微结构制造技术，仿生非光滑表面的实际应用困难重重。

目前主要有四种制造方法：直接生物复制微压印技术、光刻、激光雕刻抛光和3D打印技术。

仿生鲨鱼皮是通过直接生物复制制造的，而微压印技术可以探索鲨鱼皮流体动力学，证明其表面具有良好的减阻效果。之后又有了很多金属层状的制造方法，具有良好可控性和结构的再现性。

激光雕刻机和抛光机用于制造具有鱼鳞微结构的仿生表面，基于3D打印技术可以将数以千计的人造鲨鱼盾鳞片以可调节的线性排列放置在柔性膜上。

多材料3D打印机用于将刚性细齿嵌入柔性基板，可以探究细齿尺寸的影响，与光滑表面相比，3D打印的细齿在一定条件下可以还能降低能耗。

超疏水表面的启发多是来自植物，如荷叶的表面性质。又伴随着SEM的发展，人们发现了令人难以置信的植物表面微观结构。

稻叶和蝴蝶翅膀结合了鲨鱼皮效应和莲花效应，可能会产生高减阻效应。SEM图像描绘了实际的荷叶、水蝇腿和稻叶表面，这些例子都包含了可能促进减阻效果的机制。

表面润湿性对防水和疏水效果起着至关重要的作用，通常CA（接触角）用来衡量湿润性的角度大小。

防水表面需要高CA、低CA滞后、支持高流动性的压力需要高空间系数和大周长（或直径）的柱子、支持大范围液滴尺寸需要分级粗糙度。因此，疏水减阻不仅涉及表面材料，还涉及纳米微观结构。

（图4）

对于具有微沟槽结构的超疏水表面，气体被截留到微结构的底部，被截留的气体（称为腹膜）可以提升液体，导致大的CA。

因此，固-液界面上的粘性力可以看作是固-气界面上的粘性力。在界面处存在滑移量化为滑移长度，与固液界面相比，固气界面的滑移长度增加。

有效滑移可作为层流超疏水性的重要评价指标，而湍流中超疏水表面的减阻是由于界面滑移和湍流结构变化的共同作用。

减阻的幅度还取决于微观结构的尺寸和基流的雷诺数，参数应充分最小化，以便获得显着的减阻效果。

一般疏水材料得到的最大减阻率为14%。而纳米级光栅图案用于超疏水表面的滑移和减阻，减阻约为20%~30%。

规则的微观结构超疏水表面可以减少50%的粘性阻力，在一定的雷诺数下，减阻随着微观结构单元的增加而增加，这与层流相似。

使用预测超疏水表面减阻性能的准确指标，可以通过直接比较运动速度证明超疏水技术可以达到15%的减阻效果。

使用微流场中对具有超疏水表面的转盘可以获得13.9%的最大减阻率。

在钢基板上制造超疏水表面并测量表面的摩擦阻力，减阻达到40%–50%。

此外，具有超疏水涂层的肋条可以将减阻从18.9%提高到56.9%。

大多数工程应用都是基于超疏水材料，而大多数表面是亲水的。

因此，有多种有效的超疏水表面制造方法，如阳极氧化、电沉积、化学改性、化学沉积、微蚀刻、高温氧化、等离子射流和光交联、纳米粒子喷洒等。

此外，由于聚合物或复合材料的耐腐蚀性、机械性能，它们在某些应用中是首选。

SLIPS（光滑液体注入多孔表面）将注入的润滑液锁定在微结构表面上，以防止表面粘附其他液体，仿生PDMS薄膜还具有良好的超疏水、自愈和减阻特性。

鳃是鱼的主要呼吸器官，通常对称排列于鱼的两侧。由于不同物种、生活方式、头部结构等因素的差异。鲨鱼掌是海洋中最强的游泳能力，深海鲨鱼的爆发速度可达20米/秒。

鲨鱼前体有大板，每侧有5～7对鳃裂。鳃流出的水流不仅与呼吸有关，还可以减少游泳时的阻力。

水射流为鱼提供了额外的推力，在游泳时尤其是在快速移动阶段会明显加快速度。

此外，根据鲨鱼鳃相似的生物学特性，构建了仿生射流面模型。

高减阻率证明了水射流减阻的正确性和显著性价值。当射流角为30°时获得最佳减阻率。

通过建立鲨鱼鳃的仿生射流面模型并进行数值模拟，可以得到当主流场速度为3m/s且射流速度大于0.1m/s时，射流具有减阻效果。

（图5）

喷射孔高度和底部的不同配置会影响减阻效果，在高度为8mm和底部为11mm时的最大减阻率为32.74%。

通过实测大白鲨而建立的仿生射流模型，数值模拟表明当主流场速度为5m/s时减阻率可达17.15%。还可以用四种不同直径的模型来测试减阻效果。

测试结果也表明，最佳的减阻效果是D¼3mm处，而最差的是D¼1mm处。当射流速度为1m/s，射流方向角为30°时，减阻率达到最大值分别为8.69%和7.86%。

通过数值模拟还可以得到不同射流孔形状的仿生射流面模型，并且还能得知各种孔均有减阻效果，以第三种孔为优，最大减阻率为8.40%。

（图6）

并且当射流直径为5mm、射流角度为15°、速度比为0.15时的减阻效果达到33.93%，减阻效果最好的是射流直径为5mm、射流速度为1.2m/s。

水射流减阻受压力阻力和摩擦阻力影响，这是水下航行器在水中移动时主要施加的力。同时，射流可能改变射流表面附近边界层的流动结构。

对于压力阻力，水射流产生涡垫效应。在射流作用下，射流孔下游流道的粘性子层增厚，相应的速度梯度减小，产生反向涡流，使涡流结构稳定存在。

因此剪切力降低。对于摩擦阻力，水射流产生驱动作用，射流作为一种额外的动力可以抑制摩擦阻力，从而有助于减阻。

生物具有多种结构和特征，通过长期的相互优化耦合，大大提高了他们对环境的适应能力。因此，在仿生研究中有必要考虑多种因素之间的耦合和干扰。

影响水射流减阻的主要因素可分为三个方面：射流孔、流道和表面因素。每个因素也可以细分为多个子因素。

（图7）

由于射流表面的处理方法相对简单，3D印刷、激光雕刻、化学雕刻等方法都可以很好地应用于喷射表面制造。

面临的问题和未来的挑战

仿生减阻效果明显，但仍然还有很多困难需要克服。最基本的问题之一，是一些发展中的问题还没有完全解决，尤其是缺乏关于解释几种不同阻力的减少机制。

此外，较好的减阻率在一定条件下可以观察到，但条件改变了之后减阻效果会减弱甚至消失。

因此，该现象存在的共性特征以及仿生表面与减阻效果之间的函数关系需要进一步探索。

另一方面，一些工程应用问题没有得到解决，如如何高效地制造大减阻表面，如何提高表面的硬度和耐蚀性等，许多减阻技术的研究也还处于实验室探索阶段。

复合减阻技术是未来最有发展前景的技术之一，无论是从仿生学的角度还是实际应用。减阻效果的稳定性、制造难度、生产成本等各种减阻方法之间的差异决定了单一的减阻方法无法满足实际要求。

但是毫无疑问，多种减阻技术的结合将大大提高适应性和减阻效果。同时在非光滑表面、超疏水表面和水射流表面的复合上也将有更好的应用效果。

仿生减阻表面通常受到特定微观结构或材料的影响，因此仿生减阻技术的开发与应用受到材料科学与技术发展的制约。

如今，新兴的智能材料和新型制造技术在理论和实践中发挥着重要作用，这可能会大大增加仿生减阻技术的实际应用。

各种材料、物体的结构从宏观尺度到纳米尺度，为人类不断地提供解决问题的思路，未来应深入挖掘当前的仿生减阻技术，使之能更好的服务于人类社会的发展。

参考文献：Guijie Liu a b, Zichao Yuan a b, Zhaozun Qiu a b, Shuwen Feng a b, Yingchun Xie a b, Dingxin Leng a b, Xiaojie Tian a b. A brief review of bio-inspired surface technology and application toward underwater drag reduction. Ocean Engineering 199 (2020) 106962.