（原）材料视角 | 仿鲨鱼皮材料

2021-02-15 19:56 作者:青春材制 0人读过 | 我要投稿

初原载于工大材料汇 2020-04-17

未经允许禁止转载

仿鲨鱼皮

1999年10月，国际泳联正式允许运动员穿鲨鱼皮泳衣参赛。2000年悉尼奥运会，伊恩·索普穿着鲨鱼皮泳衣一举夺得3枚金牌，使得鲨鱼皮泳衣名震泳界。此后，更是有多位运动员身穿鲨鱼皮泳衣打破世界纪录。对于运动员们可能因高科技设备获得优势，并非技术，来打破世界纪录的现象，大家颇有争议。于是在2009年7月，国际泳联宣布“鲨鱼皮泳衣”2010年全球禁用。虽说名字叫鲨鱼皮泳衣，但它的原材料却并不是鲨鱼皮，只是人们发现鲨鱼皮独特的表面结构能够减少水中的摩擦阻力，模仿鲨鱼的皮肤做出来的仿鲨鱼皮材料而已。

那么，鲨鱼的皮肤表面到底长什么样呢？

鲨鱼经过长期的演化，发展出了一套完美的空气动力学性能优异的生物结构。从图片中，我们可以清晰的看到看上去非常光滑的鲨鱼皮表面在生物显微下，能够观察到其覆盖着细小的微观小齿状盾鳞结构，而鲨鱼利用鳞片体的形状来显著提升升力和降低阻力。研究表明，非常光滑的表面在气流和水流中并不是最佳选择，而像鲨鱼那样有细微颗粒的皮肤实际上更有利于在水中滑行。鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可以大大减少水中的摩擦阻力，使身体周围的水流更高效地流过，鲨鱼得以快速游动。鲨鱼皮泳衣正是模仿了鲨鱼皮肤表面的V型皱褶，使游泳时所受摩擦阻力减少，从而提高运动员们的游泳速度。而表面纹理呈鲨鱼皮结构的子弹因减小了风阻，也能更准确的击中目标。

研究者们不仅专注于鲨鱼鳞片对减少阻力方面的提升，哈佛大学和南加利福尼亚大学的生物学和工程师科研团队就对鲨鱼鳞片提高升力方面做了研究，从而使无人机、飞机和风力涡轮机的空力效能进一步提升。研究者们以海洋中最快的鲨鱼灰鲭鲨为样品，CT扫描研究其齿状鳞片结构，采用建模和3D打印还原了这些三个梁脊边缘的结构，并把这些模型用20多个不同的排列、位置和尺寸的模型放置于水流箱体中做测试。结果发现这些齿状鳞片产生了高能、微观的涡流，能够显著地提高物体在气流和液流中的升力，升阻比提升高达323%。若是能够将仿鲨鱼皮涂层应用于汽车，轮船和飞行器表面上，可极大提高机器的空气属性，从而减少燃料消耗，达到环保的目的。

鲨鱼皮表面细小的微观小齿状盾鳞结构不仅能够提升鲨鱼的游泳速度，还能够有效防止藤壶等生物附着在鲨鱼表面。材料学家安东尼·布伦南就对此进行了研究，筛选出一种呈菱形排列，微结构大约只有鲨鱼肤齿的二十分之一的横纹。而后布伦南教授叫一位实习生来用这种菱形横纹表面的材料来培养感染问题比较严重的大肠杆菌，结果发现仿鲨鱼皮材料培养的大肠杆菌明显比普通光滑材料上的大肠杆菌少。这是因为细菌往往借助被污染的液体传播，材料疏水的性质能让脏水更不容易附着，也就直接减少了细菌的停留。留下来的细菌也不容易大量生长繁殖，因为这些微米级的尺寸与细菌的尺寸相近，在一定程度上阻碍了细菌的运动、增殖和相互作用。布伦南博士因此发明了鲨纹导尿管，在实验室环境中，与不带纹路的导尿管相比，鲨纹导尿管上发生的大肠杆菌迁移减少了超过80%，群落大小下降了77% ，从而大大减少了感染的可能性。与滥用会导致细菌产生耐药性的抗生素相比，通过物理手段抑制抗生素生长的Sharklet材料无疑是更安全的选择。人们也在积极的寻求将这项技术应用于常见的工业材料上，如塑料，橡胶等，使人们的生活更加安全。