科學(xué)家用3D打印揭示鯊魚游泳的秘密
日前，哈佛大學(xué)的科學(xué)家們使用3D掃描與3D打印技術(shù)制造出仿真鯊魚皮，他們發(fā)現(xiàn)，鯊魚皮上的一種獨(dú)特構(gòu)造能夠提升6.6％的鯊魚游泳速度。
如果在足夠近的距離觀察，你會發(fā)現(xiàn)鯊魚圓滑的肌膚上穿插著數(shù)以百萬計微小重疊的牙齒狀鱗屑，稱為“細(xì)齒”。這種細(xì)齒擾亂了水在鯊魚體表的流動路線，減少了水的阻力。
但科學(xué)家并不知道這一過程究竟是如何發(fā)生的。“你總不能在真正的鯊魚皮上進(jìn)行調(diào)試。”哈佛大學(xué)的George Lauder說。所以Lauder和他的同事Li Wen和James Weaver決定嘗試人工復(fù)制一個鯊魚皮來代替。
在當(dāng)?shù)氐聂~市場找到一個灰鯖鯊后，Lauder對其表面進(jìn)行了高分辨率3D掃描。接下來，他和Li Wen放大了灰鯖鯊表面的一個只有0.15毫米長的鋸齒以便建立該結(jié)構(gòu)的詳細(xì)模型，然后匯集數(shù)千個類似的鋸齒形成鯊魚皮的3D模型。
單鋸齒的3D模型
下一個步驟就是構(gòu)建鯊魚皮膚。“在考慮了一些方法后，我們認(rèn)為把硬質(zhì)細(xì)齒嵌入到柔性襯底材料的唯一途徑就是使用3D打印機(jī)。”Lauder回憶說，但這件事說起來容易做起來難。
“我們必須弄清楚如何使用多種材料將其打印出來...這些鋸齒嵌入到皮膜里而且互相重疊，對3D打印而言是個很大的挑戰(zhàn)。” Lauder回憶說。
然而，經(jīng)過一年時間測試各種材料、各種打印方案后，Weaver終于制出了令人信服的樣品，將細(xì)齒固定在彈性支承物上。據(jù)了解，由于3D打印機(jī)的限制，打印出的人工細(xì)齒要比真正灰鯖鯊皮膚上的細(xì)齒大10倍左右。
“在SEM（掃描電子顯微鏡）里看到皮膜表面上一排排的人造細(xì)齒是我們的一個偉大的時刻。” Lauder笑道，他承認(rèn)，在研究論文里的掃描電鏡圖片是他近年來最喜歡的圖片之一。
3D打印人造鯊魚皮，包括嵌入在柔性薄膜中的堅(jiān)硬“細(xì)齒”
但人造鯊魚皮如何在實(shí)際中發(fā)揮功能呢？
研究團(tuán)隊(duì)將3D打印的人造鯊魚皮貼到柔性箔上，這樣它可以在流動的水里保持靜止或像一個游動的魚那樣拍打移動，并在水箱研究它。
然后，他們觀察到，在最低流速狀態(tài)下，帶有人工鯊魚皮的箔及能夠減少8.7％的阻力；雖然在最高流速條件下人造鯊魚皮遇到的阻力要比光滑的皮膜高15％。然而，當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)讓箔像真正的魚那樣擺動時，鯊魚皮能夠提高6.6％的速度，而耗費(fèi)的能量減少了5.9％。
研究團(tuán)隊(duì)的下一個任務(wù)是測試當(dāng)細(xì)齒的排列改變時會如何影響鯊魚皮的性能。然而，Lauder并不認(rèn)為我們很快就會穿上人造鯊魚皮制成的泳衣：“制造技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)是巨大的。”他說。
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