鯊魚皮仿真研究取得新進展

在2000年悉尼奧運會上，人們突然發現游泳比賽的泳池內許多男選手們不再赤膊上陣。在這屆奧運會上，澳大利亞本土選手伊恩·索普就是身穿黑色連體緊身泳裝，宛如碧波中前進的鯊魚，劈波斬浪，一舉奪得3枚金牌，而他身穿的“鯊魚皮泳衣”也引起了人們的廣泛關注。
 
事實上，索普所穿的鯊魚皮泳衣只是人們根據其外形特征起的綽號，它并不是由真正的鯊魚皮制作的，從嚴格意義來說，它只能算是對鯊魚皮外形和結構的簡單模仿，與真鯊魚皮的結構和功能還相去甚遠。
 
近日，北京航空航天大學機械工程及自動化學院教授張德遠和他的博士生韓鑫成功地對鯊魚皮外端形貌進行了復制，所制得的仿真鯊魚皮與生物原型的相似度達到95%以上。
 
這項研究得到了國家自然科學基金和國防基礎科研重大專項基金的資助，相關成果發表在《中國科學E輯：技術科學》2008年第一期上（tech.scichina.com）。

微壓印法制備的微復制模板及仿真鯊魚皮。 (a) 微復制模板SEM照片; (b) 仿真鯊魚皮光學照片

方興未艾的生物制造工程
 
20世紀后期，信息技術與制造技術的結合帶動了制造業的飛躍發展。21世紀，生命科學和生物技術將領導科技的潮流，必將改變人類的社會形態和生活方式。制造技術作為社會發展的基礎支撐，必須面向未來，從過去的為工農業提供支持，轉向與生命科學結合，為人類的生命質量的提高服務，同時借鑒生物生長規律，發展制造科學與技術，使制造科學發生一場新的革命。
 
生物制造工程（Bio-Manufacturing Engineering）就是近年來制造技術發展的新方向，它不同于傳統的仿生設計學：仿生設計主要借鑒生物的某些特殊的功能，來改善我們的機器設計；制造工程主要包含利用生物的機能進行制造（基因復制、生物去除或生物生長）及制造類生物或生物體，將生命科學、材料科學及生物技術的知識融入制造技術之中，為人類的健康、環境保護和可持續發展提供關鍵技術。美國就將其列為到2020年制造技術的11個主要挑戰之一。
 
作為一個新興的交叉領域，生物制造工程提出的時間不長，但已經日益受到來自生物醫學、材料科學、制造科學領域的科學家們的認同和參與。
 
張德遠告訴記者，他現在主要從事的生物加工研究就是生物制造工程中的一個重要子方向。“傳統加工技術領域中只有物理方法和化學方法兩種，現在生物加工方法也日漸受到人們的關注，并得到迅猛發展，逐步派生出了生物去除、生物約束、生物復制等6種成形方法，而此次對于鯊魚皮復制的研究所用到的就主要是生物復制成形和生物約束成形技術。”張德遠說。
 
全新的研究領域
 
植物和動物在漫長的自然進化過程中，不僅完全適應自然，而且其進化程度接近完美。動植物的某些方面的功能，實際上可能遠遠超越了人類自身在此方面的科技成果。生存在自然界中的各種各樣的動植物能在各種惡劣復雜的環境中生存與運動，這是因為其運動器官和形體與惡劣復雜環境斗爭進化的結果。學習和利用生物系統的優異結構和奇妙的功能，已經成為技術革新和技術革命的一個新方向。
 
張德遠回憶：“剛開始進行生物加工研究時，我主要的研究對象是微生物，而后才擴展到動物和植物。我是搞航空航天的，當然希望飛機能像鳥一樣，船舶能像魚一樣節能、環保。于是，我很自然地把眼光投向了魚類，特別是魚類的皮膚。”“而以‘鯊魚皮效應’著稱的鯊魚為人類提供了完美的減阻模版，因此鯊魚皮成為我們重點關注的研究對象。”韓鑫補充道。
 
由于生物加工研究屬于前沿交叉領域，涉及到大量生物學知識，張德遠帶領課題組投入了大量精力來了解鯊魚皮構造機理和皮膚滲液機理等知識。而且，目前在國內外都沒有生物體逼真復制的相關文獻報道，因此也沒有可供參考的經驗教訓，一切都要從頭做起。另外，所有的測試、加工儀器設備也是從無到有，課題組自己一點點搭建起來的。“因此，可以毫不夸張地說，我們所做的一切工作都屬于原始創新。”張德遠笑道。
 
韓鑫介紹了對鯊魚皮微觀形貌的復制采用的工藝流程：先對鯊魚皮進行取樣, 經預處理后得到可用于生物復制成形的樣本，之后以微壓印和微塑鑄為材料成形手段，最后經模板復型最終得到仿真鯊魚皮表面形貌。接下來使用觸針式輪廓儀分別對鯊魚皮樣本及兩種微復制模板進行了三維掃描成像，結果顯示，生物復制成形技術可以有效對鯊魚皮的外端形貌進行復制。
 
光明的應用前景
 
仿真鯊魚皮研制成功后，可以在哪些領域得到應用呢？
 
張德遠說道：“雖然仿真鯊魚皮只是一個小的研究，但它可能帶來巨大的經濟和社會效益。因為，只要有運動的地方，就會有摩擦和阻力，而仿真鯊魚皮就可以有效地降低摩擦、降低阻力。仿真鯊魚皮的各項原理現在也已經清晰了，要投入大規模生產并不存在瓶頸問題。”
 
張德遠課題組已經在管道運輸方面進行了相關實驗，研究結果顯示：在管道內壁使用仿真鯊魚皮，管壁阻力比普通管道減少了8%。據張德遠估計，如果能夠為現有的仿真鯊魚皮加上超滑液緩釋功能的話，減阻效果有可能達到30%以上。
 
“如果這項技術能夠廣泛應用于南水北調、西氣東輸和各種石油輸送管道工程的話，每年節約的總費用將會以數億元計。”張德遠說，“這項技術還可以廣泛應用于飛機、船舶等交通運輸工具的表面。另外，仿真鯊魚皮還可以通過減少阻力、增強機動性來解決水下微型航行器航程較短的問題，這對各種海底探測活動大有裨益。”
 
張德遠最后說：“即使我國游泳運動員參加奧運會有相關需求，我們也可以為他們研制出無論是形狀還是功能都比目前使用的泳衣更接近自然鯊魚皮的泳衣來。”
 
（《中國科學E輯：技術科學》，2008 38 (1): 9-15，韓鑫, 張德遠）
 
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《中國科學E輯》論文摘要