初原載于 工大材料匯????2020-04-17

未經(jīng)允許禁止轉(zhuǎn)載

仿?? ?鯊????魚????皮

1999年10月，國際泳聯(lián)正式允許運動員穿鯊魚皮泳衣參賽。2000年悉尼奧運會，伊恩·索普穿著鯊魚皮泳衣一舉奪得3枚金牌，使得鯊魚皮泳衣名震泳界。此后，更是有多位運動員身穿鯊魚皮泳衣打破世界紀(jì)錄。對于運動員們可能因高科技設(shè)備獲得優(yōu)勢，并非技術(shù)，來打破世界紀(jì)錄的現(xiàn)象，大家頗有爭議。于是在2009年7月，國際泳聯(lián)宣布“鯊魚皮泳衣”2010年全球禁用。雖說名字叫鯊魚皮泳衣，但它的原材料卻并不是鯊魚皮，只是人們發(fā)現(xiàn)鯊魚皮獨特的表面結(jié)構(gòu)能夠減少水中的摩擦阻力，模仿鯊魚的皮膚做出來的仿鯊魚皮材料而已。

那么，鯊魚的皮膚表面到底長什么樣呢？

鯊魚經(jīng)過長期的演化，發(fā)展出了一套完美的空氣動力學(xué)性能優(yōu)異的生物結(jié)構(gòu)。從圖片中，我們可以清晰的看到看上去非常光滑的鯊魚皮表面在生物顯微下，能夠觀察到其覆蓋著細(xì)小的微觀小齒狀盾鱗結(jié)構(gòu)，而鯊魚利用鱗片體的形狀來顯著提升升力和降低阻力。研究表明，非常光滑的表面在氣流和水流中并不是最佳選擇，而像鯊魚那樣有細(xì)微顆粒的皮膚實際上更有利于在水中滑行。鯊魚皮膚表面粗糙的V形皺褶可以大大減少水中的摩擦阻力，使身體周圍的水流更高效地流過，鯊魚得以快速游動。鯊魚皮泳衣正是模仿了鯊魚皮膚表面的V型皺褶，使游泳時所受摩擦阻力減少，從而提高運動員們的游泳速度。而表面紋理呈鯊魚皮結(jié)構(gòu)的子彈因減小了風(fēng)阻，也能更準(zhǔn)確的擊中目標(biāo)。

研究者們不僅專注于鯊魚鱗片對減少阻力方面的提升，哈佛大學(xué)和南加利福尼亞大學(xué)的生物學(xué)和工程師科研團隊就對鯊魚鱗片提高升力方面做了研究，從而使無人機、飛機和風(fēng)力渦輪機的空力效能進(jìn)一步提升。研究者們以海洋中最快的鯊魚灰鯖鯊為樣品，CT掃描研究其齒狀鱗片結(jié)構(gòu)，采用建模和3D打印還原了這些三個梁脊邊緣的結(jié)構(gòu)，并把這些模型用20多個不同的排列、位置和尺寸的模型放置于水流箱體中做測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些齒狀鱗片產(chǎn)生了高能、微觀的渦流，能夠顯著地提高物體在氣流和液流中的升力，升阻比提升高達(dá)323%。若是能夠?qū)⒎迈忯~皮涂層應(yīng)用于汽車，輪船和飛行器表面上，可極大提高機器的空氣屬性，從而減少燃料消耗，達(dá)到環(huán)保的目的。

鯊魚皮表面細(xì)小的微觀小齒狀盾鱗結(jié)構(gòu)不僅能夠提升鯊魚的游泳速度，還能夠有效防止藤壺等生物附著在鯊魚表面。材料學(xué)家安東尼·布倫南就對此進(jìn)行了研究，篩選出一種呈菱形排列，微結(jié)構(gòu)大約只有鯊魚膚齒的二十分之一的橫紋。而后布倫南教授叫一位實習(xí)生來用這種菱形橫紋表面的材料來培養(yǎng)感染問題比較嚴(yán)重的大腸桿菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)仿鯊魚皮材料培養(yǎng)的大腸桿菌明顯比普通光滑材料上的大腸桿菌少。這是因為細(xì)菌往往借助被污染的液體傳播，材料疏水的性質(zhì)能讓臟水更不容易附著，也就直接減少了細(xì)菌的停留。留下來的細(xì)菌也不容易大量生長繁殖，因為這些微米級的尺寸與細(xì)菌的尺寸相近，在一定程度上阻礙了細(xì)菌的運動、增殖和相互作用。布倫南博士因此發(fā)明了鯊紋導(dǎo)尿管，在實驗室環(huán)境中，與不帶紋路的導(dǎo)尿管相比，鯊紋導(dǎo)尿管上發(fā)生的大腸桿菌遷移減少了超過80%，群落大小下降了77%?，從而大大減少了感染的可能性。與濫用會導(dǎo)致細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性的抗生素相比，通過物理手段抑制抗生素生長的Sharklet材料無疑是更安全的選擇。人們也在積極的尋求將這項技術(shù)應(yīng)用于常見的工業(yè)材料上，如塑料，橡膠等，使人們的生活更加安全。

從雷達(dá)，人工冷光，伏特電池再到潛水艇，仿生發(fā)明在悄無聲息地改善著我們的生活。經(jīng)過漫長的演化過程，動物們早已進(jìn)化出幾乎完善的生理結(jié)構(gòu)來適應(yīng)環(huán)境，來獲得生存的機會。大自然如同一處取之不盡用之不竭的寶藏，等待著有心人的發(fā)現(xiàn)與探尋。

問題：

1.文中提到了仿鯊魚皮材料的哪幾種用途？

2.你還知道哪些仿生發(fā)明？它們的原理是什么？

參考資料：

百度百科

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圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

本文作者：田坤卉

本文圖文編輯：許心雨

時任圖文審核：于世龍 劉孟茜

時任責(zé)任編輯：王雪篪

時任總編輯：李曉萌