出品：科普中國

作者：可可（科普創(chuàng)作者）

監(jiān)制：中國科普博覽

在浩瀚的海洋中，龐大的油輪如同巨鯨般穿梭于各大港口之間，承載著全球能源貿(mào)易的重任。然而，這些海上巨獸也面臨著巨大的能源消耗和環(huán)境壓力。如何在保證運輸效率的同時，實現(xiàn)節(jié)能減排，成為航運業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)。

近日，一項融合了仿生學(xué)和材料科學(xué)的創(chuàng)新技術(shù)——螺旋槳仿生蒙皮材料，為這一難題帶來了突破性的解決方案。這項由中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所等機構(gòu)聯(lián)合研發(fā)的技術(shù)，正在為超大型油輪開辟一條更加綠色、高效的航道。

寬吻海豚（Tursiops truncatus）又稱瓶鼻海豚，是最常見且最為人熟知的海豚

（圖片來源：維基百科）

仿生智慧：從海豚皮膚到船舶螺旋槳

自然界中，海豚以其流線型的身體和高效游動的能力而聞名。科學(xué)家們長期以來一直對海豚的游泳機制充滿好奇，特別是對它們?nèi)绾卧诟咚儆蝿又斜３值湍芎母信d趣。經(jīng)過深入研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)海豚皮膚具有獨特的物理和化學(xué)特性，這些特性使得海豚能夠在水中高速游動時大大減少水的阻力。

海豚皮膚的特殊性主要體現(xiàn)在其微觀結(jié)構(gòu)和生理特性上。

首先，海豚皮膚表面并非光滑平整，而是由無數(shù)微小的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)組成。這些細(xì)小的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)能夠在海豚游動時產(chǎn)生微小的渦流，這些渦流形成了一層薄薄的“氣墊”，有效減少了水與皮膚之間的直接接觸面積，從而降低了摩擦阻力。

其次，海豚皮膚具有獨特的彈性和柔韌性，能夠隨著水流的變化而變形，進一步優(yōu)化了水流模式。更為神奇的是，海豚皮膚能夠分泌一種特殊的黏液，這種黏液不僅能夠填充皮膚表面的微小溝壑，使其表面更加光滑，還具有一定的抗菌性，防止藻類等微生物在皮膚上生長，保持自身皮膚表面的潔凈和低阻力狀態(tài)。

這些特性的綜合作用，使得海豚能夠以較低的能量消耗在水中高速游動。

受此啟發(fā)，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的科研團隊開始嘗試將海豚皮膚的特性應(yīng)用于船舶技術(shù)。他們的目標(biāo)是創(chuàng)造一種能夠模仿海豚皮膚特性的人造材料，并將其應(yīng)用于船舶最關(guān)鍵的部件之一——螺旋槳。這種被稱為“仿生蒙皮”的材料，是通過精密的人工合成方法制備而成，它不僅具有類似海豚皮的物理結(jié)構(gòu)，還模擬了海豚皮膚的化學(xué)特性。

海豚皮膚與螺旋槳仿生蒙皮示意圖

（圖片來源：中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所）

研究團隊面臨的挑戰(zhàn)不僅僅是制造出這種材料，還包括如何將其有效地應(yīng)用于巨型油輪的螺旋槳表面。這需要考慮材料的耐久性、與螺旋槳的兼容性，以及在海水環(huán)境中長期使用的穩(wěn)定性等多個因素。經(jīng)過反復(fù)試驗和優(yōu)化，科研人員最終成功開發(fā)出了一種既能模擬海豚皮膚特性，又適合應(yīng)用于船舶螺旋槳的仿生蒙皮材料。

在模仿海豚皮膚特性時，研究人員特別關(guān)注了幾個關(guān)鍵方面：

首先，他們在材料表面設(shè)計了微觀的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，以模擬海豚皮膚表面的特殊紋理，從而達(dá)到減少水阻的效果。

其次，他們選用了具有一定彈性和柔韌性的高分子材料，使得仿生蒙皮能夠在水流沖擊下略微變形，優(yōu)化水流模式。

最后，他們在材料中添加了特殊的化學(xué)成分，使其表面能夠形成一層類似海豚皮膚分泌物的保護層，不僅能降低摩擦，還能防止海洋生物附著，保持表面的清潔。

技術(shù)突破：首次應(yīng)用于超大型油輪

這項創(chuàng)新技術(shù)的重大突破在于它首次成功應(yīng)用于30萬噸級超大型油輪（VLCC）。這類油輪是當(dāng)今海上運輸中最大、最復(fù)雜的船舶之一，其能源消耗和環(huán)境影響也最為顯著。因此，在如此大型的船舶上成功應(yīng)用仿生技術(shù)，無疑具有里程碑式的意義。

首艘安裝仿生蒙皮螺旋槳的VLCC已經(jīng)完成了三個航次的原油運輸任務(wù)，航行時間近200天，航程超過3.5萬海里。這艘巨輪的航線橫跨中國沿海和中東各大港口，經(jīng)歷了不同海域的復(fù)雜環(huán)境考驗。

在實際應(yīng)用前，這種船用仿生柔性減阻材料通過了嚴(yán)格的產(chǎn)品認(rèn)證，確保其符合各項環(huán)境相關(guān)國際公約的要求。

這次長期、大范圍的實船應(yīng)用不僅驗證了技術(shù)的可行性，還為科研人員提供了寶貴的實際運行數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)，研究人員能夠全面評估仿生蒙皮材料在不同海況、不同航線下的表現(xiàn)，為進一步優(yōu)化和推廣這項技術(shù)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

超大型油輪進船塢（上）；螺旋槳蒙皮敷設(shè)過程（下左）；仿生蒙皮螺旋槳（下右）。

（圖片來源：中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所）

顯著成效：節(jié)能減排的具體表現(xiàn)

仿生蒙皮技術(shù)在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出了令人矚目的節(jié)能減排效果。根據(jù)實船油耗數(shù)據(jù)分析，螺旋槳表面敷設(shè)仿生蒙皮后，船舶的燃油消耗降低了約2%。這個看似微小的數(shù)字，在超大型油輪的運營中卻意味著巨大的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

研究人員預(yù)計，在材料的生命周期（約2.5年）內(nèi)，這項技術(shù)可以實現(xiàn)平均約1.5%的綜合節(jié)能效果。這一數(shù)據(jù)的重要性體現(xiàn)在以下幾個方面：

首先，從經(jīng)濟效益角度來看，一艘VLCC每年可以節(jié)省300噸以上的燃油，直接經(jīng)濟效益超過100萬元。在國際油價波動頻繁的背景下，這種燃油節(jié)省不僅能夠顯著降低運營成本，還能提高航運公司的市場競爭力。

其次，從環(huán)境保護的角度來看，每艘應(yīng)用這項技術(shù)的VLCC每年可以減少900噸以上的二氧化碳排放。考慮到全球航運業(yè)的規(guī)模，如果這項技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用，其累積的減排效果將對全球氣候變化的緩解產(chǎn)生積極影響。

此外，這項技術(shù)的節(jié)能效果還體現(xiàn)在提高了螺旋槳的推進效率上。船舶航行時，能源消耗主要用于驅(qū)動螺旋槳產(chǎn)生推力，以克服船體與水之間的阻力。通過降低水與螺旋槳表面之間的摩擦，仿生蒙皮材料使得螺旋槳能夠以更少的能量輸入產(chǎn)生相同的推力，從而提高了整個推進系統(tǒng)的效率。

值得一提的是，這些節(jié)能減排效果是在實際海況下獲得的，反映了技術(shù)在真實環(huán)境中的表現(xiàn)。這不僅證明了技術(shù)的實用性，也為未來進一步優(yōu)化和推廣提供了可靠的依據(jù)。

大型船舶螺旋槳

（圖片來源：維基百科）

未來展望：從單船試驗到行業(yè)革新

仿生蒙皮技術(shù)在首艘VLCC上的成功應(yīng)用，僅僅是這項創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展的開始。基于已取得的顯著成效，中國科學(xué)院寧波材料所等單位已經(jīng)制定了更加宏大的推廣計劃。

首先，雙方計劃將這項減阻材料技術(shù)推廣至全行業(yè)。這意味著更多的超大型油輪將受益于這項技術(shù)，累積的節(jié)能減排效果將會更加顯著。這不僅能為航運公司帶來可觀的經(jīng)濟效益，也將大幅降低整個船隊的碳排放，助力航運業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型。

其次，研究團隊正在探索將這項技術(shù)應(yīng)用于其他類型船舶的可能性。不同類型的船舶面臨不同的航行條件和挑戰(zhàn)，因此需要對仿生蒙皮材料進行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。例如，高速客輪可能需要更注重材料的抗沖刷性能；而在極地航行的破冰船則可能需要增強材料的耐低溫性能。

更進一步，這項技術(shù)有望向遠(yuǎn)洋及內(nèi)河運輸?shù)热袠I(yè)推廣應(yīng)用。這將涉及更廣泛的適應(yīng)性研究，以確保技術(shù)能夠在不同水域、不同氣候條件下保持良好的性能。同時，還需要考慮如何降低技術(shù)成本，使其對中小型船舶同樣具有經(jīng)濟可行性。

此外，仿生蒙皮技術(shù)的成功也為其他船舶部件的優(yōu)化提供了新的思路。研究人員正在探索將類似的仿生原理應(yīng)用于船體、舵等其他與水直接接觸的部位，以進一步提高船舶的整體效率。

最后，這項技術(shù)的發(fā)展也促進了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定。隨著技術(shù)的推廣，有關(guān)部門需要制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用指南，以確保技術(shù)的安全可靠應(yīng)用。這不僅有利于技術(shù)的規(guī)范化推廣，也將推動整個行業(yè)的技術(shù)進步。

喬治·華盛頓號航母螺旋槳（邊緣貼有保護罩）

（圖片來源：維基百科）

參考文獻：

1.張渺，科學(xué)家研制螺旋槳仿生蒙皮材料，助力超大型油輪節(jié)能增效

來源: 中國科普博覽

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