科學家用3D打印揭示鯊魚游泳的秘密
日前，哈佛大學的科學家們使用3D掃描與3D打印技術制造出仿真鯊魚皮，他們發現，鯊魚皮上的一種獨特構造能夠提升6.6％的鯊魚游泳速度。
如果在足夠近的距離觀察，你會發現鯊魚圓滑的肌膚上穿插著數以百萬計微小重疊的牙齒狀鱗屑，稱為“細齒”。這種細齒擾亂了水在鯊魚體表的流動路線，減少了水的阻力。
但科學家并不知道這一過程究竟是如何發生的。“你總不能在真正的鯊魚皮上進行調試。”哈佛大學的George Lauder說。所以Lauder和他的同事Li Wen和James Weaver決定嘗試人工復制一個鯊魚皮來代替。
在當地的魚市場找到一個灰鯖鯊后，Lauder對其表面進行了高分辨率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構的詳細模型，然后匯集數千個類似的鋸齒形成鯊魚皮的3D模型。
單鋸齒的3D模型
下一個步驟就是構建鯊魚皮膚。“在考慮了一些方法后，我們認為把硬質細齒嵌入到柔性襯底材料的唯一途徑就是使用3D打印機。”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。” Lauder回憶說。
然而，經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，將細齒固定在彈性支承物上。據了解，由于3D打印機的限制，打印出的人工細齒要比真正灰鯖鯊皮膚上的細齒大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齒是我們的一個偉大的時刻。” Lauder笑道，他承認，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硬“細齒”
但人造鯊魚皮如何在實際中發揮功能呢？
研究團隊將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，當研究團隊讓箔像真正的魚那樣擺動時，鯊魚皮能夠提高6.6％的速度，而耗費的能量減少了5.9％。
研究團隊的下一個任務是測試當細齒的排列改變時會如何影響鯊魚皮的性能。然而，Lauder并不認為我們很快就會穿上人造鯊魚皮制成的泳衣：“制造技術面臨的挑戰是巨大的。”他說。
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