复合材料3D打印揭示仿生推进新机理
2015-01-20

复合材料3D打印揭示仿生推进新机理

 

 

 

 

硬质齿状结构附着在柔软的基底上的3D打印鲨鱼皮

照片来源:The Journal of Experimental Biology

 

来自北京航空航天大学和哈佛大学研究团队利用复合材料3D打印技术,以灰鲭鲨为模本制作出了首个3D打印人造鲨鱼皮,并揭示了微观齿状结构和鲨鱼皮自身柔性是如何提高鲨鱼动态游动效率。该项研究于5月作为封面文章发表在The Journal of Experimental Biology 杂志上,Inside JEB特别撰文。Nature将其作为研究亮点予以特别报道,标题为:“依靠人造鲨鱼皮快速游动”。Science,英国广播电视台(BBC), 英国《每日电讯》,美国《探索》,以及哈佛大学等对该研究进行了详细报道。

当鲨鱼在水中优雅地掠过时,它们的皮看起来平滑且有光泽。但是当我们近距离去观察鲨鱼皮时,却发现它的表面实际上散布着数以百万计的、微小的、相互重叠且具有三维结构的被称为小齿的鳞屑,这些小齿可以影响鲨鱼身体表面的水流流动模式,从而帮助鲨鱼游动。这些令人着迷的结构多年以来一直激发着仿生学领域科学家的灵感并引导他们的仿生设计。研究人员尝试去复制鲨鱼皮以减小物理表面的阻力,这种尝试被应用到赛车,船舶,机翼以及风车叶片等。这些过去的研究中仿生鲨鱼皮通常是被固定在刚性的结构上,鲨鱼皮并不像在其游动过程中身体产生的弯曲。研究团队发现,模仿鲨鱼游动的动态物理条件下,三维鳞片结构对水流有着特殊的影响,减阻并不是鳞片影响鲨鱼高效巡游的唯一因素。

为了突破过去研究的局限,来自北航和哈佛大学的科学家从一只灰鲭鲨的身上取得了一块1毫米长的皮肤样本,并利用纳米CT技术对其进行了扫描。小齿的总长仅为150微米,而一小块鲨鱼皮上相同的小齿需要被复制数千个。扫描结果帮助研究团队对单个小齿进行了极为精细的三维建模。此时,研究团队遇到了真正棘手的问题——开发出一种工艺方法以精确地在一块柔软的人造基质上复制出数千个这样的小齿。“在对比研究过数种加工手段之后,我们认为在柔软基质上嵌入硬质小齿的唯一方式就是3D打印,来自北航的文力教授说,我们必须探索出使用多种材料打印出这些小齿的方法,这些小齿需要被嵌入基质中并且相互重叠,这是最大的挑战。文力教授曾是哈佛大学的研究人员,也是这篇论文的第一作者,第一通讯作者。

 

 

 

 

 

 

人造鲨鱼皮薄膜的扫描电镜图像展示了鲨鱼皮表面的鳞屑。图片编辑:The Journal of Experimental Biology

经过了大约一年的反复尝试,科研人员最终得到了令他们满意的结果。利用复合多材料3D打印技术,成千上万个彼此交错重叠的硬质三维‘鳞片’被插入到一个光滑、柔性的薄膜材料中,鳞片与薄膜之间相互牢固结合。研究团队随后将人造鲨鱼皮覆在了一个实验装置上并对其进行了水下实验。研究组将双面键合有3D打印鲨鱼皮的一块柔性翼放入速度可控的循环水槽中,并由一个特殊的机器人装置固定并来回摆动并且形成鱼类波动运动。研究结果发现,相比光滑的表面,键合有3D打印鲨鱼皮的表面游动速度提高了6.6%,而游动能量可节省5.9%Nature在评论该研究时也表示:“这是首次研究揭示动态运动条件下的鲨鱼皮可以在动态运动时节省能量。” 哈佛大学的George Lauder教授在接受BBC的采访时说道,“考虑到鲨鱼一生保持游动且从不停止,那么这些小齿产生的能量节省的积分效应显然是巨大的。”

通过记录下实验装置运动过程中水流的高速影像,研究团队观察到这些小齿可以产生比光滑表面更加强烈的前缘涡旋——这是一种由柔性翼运动产生的低压区域。在文力教授和Lauder教授看来,该现象表明这些小齿除了能够减小阻力,还能够提高鱼类游动过程中的推进力。“前缘涡旋能够产生有助于推进的吸力,从而使得鲨鱼产生更快的游动速度”。目前研究人员还在继续探索,通过对小齿进行微调,改变小齿形状和排布方式去进一步寻找能够决定鲨鱼皮产生如此显著效果的关键因素。

来自机器人领域的专家有着另外的解读。“目前我国正在探索更高效、更安全的机器人技术。”中国著名的机器人专家王田苗教授表示,“这项研究让我意识到复合材料3D打印将不但能利于探索生物力学科学问题,同时也可能在未来的医疗与服务机器人,仿生机器人等领域发挥重要的作用。”

 

文力:副教授,仿生软体机器人实验室,机械工程及自动化学院。

点击下面的链接查看关于这项研究的新闻报道:

 

Reported by Nature as “research highlights” with the title of “Biophysics: fast swimming with fake shark skin” in Nature 509, 7501 (2014)

 

Reported by Science with the title of “Swimming with shark skin” at http://news.sciencemag.org/biology/2014/05/scienceshot-swimming-sharkskin.

 

Cover image of Journal of Experimental Biology at http://jeb.biologists.org/content/217/10.cover-expansion.

 

Highlighted in Journal of Experimental Biology in Inside JEB with the title of “Simulated shark skin boosts swimming” at http://jeb.biologists.org/content/217/10/1637.2.full.

 

Reported by BBC with the title of “3D printing reveals the power of shark skin” at http://www.bbc.com/news/science-environment-27412460.

 

Reported by Nature World News with the title of “3D Print Artificial Shark Skin

at http://www.natureworldnews.com/articles/7057/20140515/harvard-scientists-3d-print-artificial-shark-skin.htm

 

Reported by Discover magazine with the title of “3D printing shark skin boosts swimming speed” at

http://blogs.discovermagazine.com/d-brief/2014/05/15/3-d-printed-shark-skin-boosts-swimming-speeds/#.U6JQzZSSwfB

 

Reported by Popular Mechanics with the title of “Shark Skin Will Inspire Faster Swimsuits and Airplanes” at

http://www.popularmechanics.com/technology/engineering/news/shark-skin-will-inspire-faster-swimsuits-and-airplanes-16792156

 

Reported by Harvard University Wyss News with the title of “Researchers use multi-material 3D

printing to fabricate the first biomimetic shark skin” at http://wyss.harvard.edu/viewpage/537/