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仿真鲨鱼皮:不仅仅是泳衣

微压印法制备的微复制模板及仿真鲨鱼皮。 (a) 微复制模板SEM照片; (b) 仿真鲨鱼皮光学照片

  在2000年悉尼奥运会上,人们突然发现游泳比赛的泳池内许多男选手们不再赤膊上阵。在这届奥运会上,澳大利亚本土选手伊恩·索普就是身穿黑色连体紧身泳装,宛如碧波中前进的鲨鱼,劈波斩浪,一举夺得3枚金牌,而他身穿的“鲨鱼皮泳衣”也引起了人们的广泛关注。

  事实上,索普所穿的鲨鱼皮泳衣只是人们根据其外形特征起的绰号,它并不是由真正的鲨鱼皮制作的,从严格意义来说,它只能算是对鲨鱼皮外形和结构的简单模仿,与真鲨鱼皮的结构和功能还相去甚远。

  近日,北京航空航天大学机械工程及自动化学院教授张德远和他的博士生韩鑫成功地对鲨鱼皮外端形貌进行了复制,所制得的仿真鲨鱼皮与生物原型的相似度达到95%以上。

  这项研究得到了国家自然科学基金和国防基础科研重大专项基金的资助,相关成果发表在《中国科学E辑:技术科学》2008年第一期上(tech.scichina.com)。

  方兴未艾的生物制造工程

  20世纪后期,信息技术与制造技术的结合带动了制造业的飞跃发展。21世纪,生命科学和生物技术将领导科技的潮流,必将改变人类的社会形态和生活方式。制造技术作为社会发展的基础支撑,必须面向未来,从过去的为工农业提供支持,转向与生命科学结合,为人类的生命质量的提高服务,同时借鉴生物生长规律,发展制造科学与技术,使制造科学发生一场新的革命。

  生物制造工程(Bio-Manufacturing Engineering)就是近年来制造技术发展的新方向,它不同于传统的仿生设计学:仿生设计主要借鉴生物的某些特殊的功能,来改善我们的机器设计;制造工程主要包含利用生物的机能进行制造(基因复制、生物去除或生物生长)及制造类生物或生物体,将生命科学、材料科学及生物技术的知识融入制造技术之中,为人类的健康、环境保护和可持续发展提供关键技术。美国就将其列为到2020年制造技术的11个主要挑战之一。

  作为一个新兴的交叉领域,生物制造工程提出的时间不长,但已经日益受到来自生物医学、材料科学、制造科学领域的科学家们的认同和参与。

  张德远告诉记者,他现在主要从事的生物加工研究就是生物制造工程中的一个重要子方向。“传统加工技术领域中只有物理方法和化学方法两种,现在生物加工方法也日渐受到人们的关注,并得到迅猛发展,逐步派生出了生物去除、生物约束、生物复制等6种成形方法,而此次对于鲨鱼皮复制的研究所用到的就主要是生物复制成形和生物约束成形技术。”张德远说。

  全新的研究领域

  植物和动物在漫长的自然进化过程中,不仅完全适应自然,而且其进化程度接近完美。动植物的某些方面的功能,实际上可能远远超越了人类自身在此方面的科技成果。生存在自然界中的各种各样的动植物能在各种恶劣复杂的环境中生存与运动,这是因为其运动器官和形体与恶劣复杂环境斗争进化的结果。学习和利用生物系统的优异结构和奇妙的功能,已经成为技术革新和技术革命的一个新方向。

  张德远回忆:“刚开始进行生物加工研究时,我主要的研究对象是微生物,而后才扩展到动物和植物。我是搞航空航天的,当然希望飞机能像鸟一样,船舶能像鱼一样节能、环保。于是,我很自然地把眼光投向了鱼类,特别是鱼类的皮肤。”“而以‘鲨鱼皮效应’著称的鲨鱼为人类提供了完美的减阻模版,因此鲨鱼皮成为我们重点关注的研究对象。”韩鑫补充道。

  由于生物加工研究属于前沿交叉领域,涉及到大量生物学知识,张德远带领课题组投入了大量精力来了解鲨鱼皮构造机理和皮肤渗液机理等知识。而且,目前在国内外都没有生物体逼真复制的相关文献报道,因此也没有可供参考的经验教训,一切都要从头做起。另外,所有的测试、加工仪器设备也是从无到有,课题组自己一点点搭建起来的。“因此,可以毫不夸张地说,我们所做的一切工作都属于原始创新。”张德远笑道。

  韩鑫介绍了对鲨鱼皮微观形貌的复制采用的工艺流程:先对鲨鱼皮进行取样, 经预处理后得到可用于生物复制成形的样本,之后以微压印和微塑铸为材料成形手段,最后经模板复型最终得到仿真鲨鱼皮表面形貌。接下来使用触针式轮廓仪分别对鲨鱼皮样本及两种微复制模板进行了三维扫描成像,结果显示,生物复制成形技术可以有效对鲨鱼皮的外端形貌进行复制。

  光明的应用前景

  仿真鲨鱼皮研制成功后,可以在哪些领域得到应用呢?

  张德远说道:“虽然仿真鲨鱼皮只是一个小的研究,但它可能带来巨大的经济和社会效益。因为,只要有运动的地方,就会有摩擦和阻力,而仿真鲨鱼皮就可以有效地降低摩擦、降低阻力。仿真鲨鱼皮的各项原理现在也已经清晰了,要投入大规模生产并不存在瓶颈问题。”

  张德远课题组已经在管道运输方面进行了相关实验,研究结果显示:在管道内壁使用仿真鲨鱼皮,管壁阻力比普通管道减少了8%。据张德远估计,如果能够为现有的仿真鲨鱼皮加上超滑液缓释功能的话,减阻效果有可能达到30%以上。

  “如果这项技术能够广泛应用于南水北调、西气东输和各种石油输送管道工程的话,每年节约的总费用将会以数亿元计。”张德远说,“这项技术还可以广泛应用于飞机、船舶等交通运输工具的表面。另外,仿真鲨鱼皮还可以通过减少阻力、增强机动性来解决水下微型航行器航程较短的问题,这对各种海底探测活动大有裨益。”

  张德远最后说:“即使我国游泳运动员参加奥运会有相关需求,我们也可以为他们研制出无论是形状还是功能都比目前使用的泳衣更接近自然鲨鱼皮的泳衣来。”

(责任编辑:史少晨)

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