基于仿生的船體防污減阻協同作用及其進展

付宜風，白秀琴，袁成清，嚴新平

(1．武漢理工大學 能源與動力工程學院可靠性工程研究所，湖北 武漢430063;2．武漢理工大學 船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢430063)

0 引 言

船舶是一種重要的交通運輸工具，特別是在國際貿易中扮演著舉足輕重的作用，根據聯合國貿易和發展會議發表的《2010 海上運輸回顧》報告顯示，2009年全球海上貿易總量約為78.4 億噸，全球貨物流動80%的市場份額是通過海上運輸進行的［1－2］。同時船舶每年也消耗了大量的能源，據報道2011年全球船用油年消耗量約1.95 億噸，價值達1 300 億美元。目前，隨著能源危機和環境保護越來越受到人們的重視，船舶的節能減排已成為研究的熱點。船體防污和減阻技術是實現節能減排的有效途徑，一直以來也受到人們高度的重視。但人們總是從防污或減阻某一方面進行相關研究，實際上防污和減阻有一定的聯系，防污的目的之一就是減阻，許多減阻技術的前提條件也是要求船體有防污能力，反過來減阻也會在一定程度上促進防污，所以有必要開展船體防污減阻協同作用的研究。

1 防污減阻的重要性

船體防污一直是困擾航運界的一大難題，任何一艘剛下水的船體表面由于受靜電力和范德華力等的作用，在數分鐘之內表面很快沉積一層由多聚糖、蛋白質、糖蛋白等組成的有機物膜，即條件膜。隨后，細菌等微生物通過分泌胞外大分子物質(extracellular polymeric substance，EPS)改變物體表面的化學性質，促進自身的附著，一旦附著條件合適，細菌就會大量分泌EPS，使其永久附著，最后與其他微生物、有機物等形成一層凝膠結構的生物膜或黏膜，成為提供酶相互作用、交換營養物質的場所。由于生物膜提供了豐富的營養物質和良好的生長環境，會誘使其他原核生物、真菌、藻類孢子和大型污損生物的幼蟲在生物膜中生長、變態及繁殖，最后就會形成復雜的生物群落和大型污損生物層［3－4］，過程如圖1所示。

圖1 海洋生物附著及污損過程Fig.1 Process of marine biofouling and fouling

當船體受到污損生物附著時，船體表面變得更加粗糙，船在前進過程中，不但增加了附著污損生物的重量，由于污損生物的存在還會帶動周圍一圈水體一起向前運動，造成阻力大幅增加。假如船動力一定，阻力的增加會降低船速;相應地，為了保持原來的速度必然要增加動力。這顯然會造成經濟上的損失，燃料的過渡消耗，行程的延誤。同時污損生物的附著還會加速船體的腐蝕，增加船舶返塢維修次數。所以人們很早就關注船體防污技術的研究，也取得了一系列的成果。

船舶在運動過程中，受到的阻力主要包括:興波阻力、壓差阻力(形狀阻力)、摩擦阻力等，其中摩擦阻力是最主要的組成部分，約占全部阻力的70%－80%。阻力的存在造成了大量的能源消耗和有害氣體的排放，據統計國際航運每年排放8 億噸CO2，約占全球CO2溫室氣體排放量的2.7%;排放的SOx占全球排放總量的10%;排放的NOx占全球排放總量的25%。2011年7月15日，在倫敦閉幕的國際海事組織(IMO)海洋環境保護委員會第62次會議，已經通過了“新船設計能效指數”和“船舶能效管理計劃”兩項標準，強制實施溫室氣體減排，并規定2015－2019年間新造船舶的能效將提高10%。這對航運業提出了新的挑戰，也對新技術在船舶領域的應用也提出了更高的要求。所以船體減阻降耗技術也迎來了新的機遇，減阻主要從優化船型方面減小興波阻力和壓差阻力，或從改造物體表面結構方面改變流體邊界層的狀況來減小摩擦阻力。綜上所述，防污減阻有助于提高船速，減少燃料消耗，符合環境保護和節能減排的要求，有著顯著的經濟和環境效益。

2 防污減阻協同作用的內涵

一直以來，相關研究者都是從防污或減阻某一個方面單獨進行研究。防污研究者主要致力于污損生物附著過程、附著機理、基于反附著機理的各種防污技術的研究和開發，新型防污技術主要包括新型無毒低表面能防污、天然防污劑、無毒潤滑劑、表面微結構防污等。而船舶減阻技術的研究者則主要致力于船體周圍流體阻力特性分析、各種減阻技術的實驗研究、數值仿真分析以及減阻機理探討等方面，新型減阻技術包括氣膜減阻、超空泡減阻、柔性壁減阻、表面微結構減阻等。但在實際工程應用中由于存在成本高、施工不便、有效期短等問題，到目前為止還沒有形成防污、減阻的有效應用技術。

海洋污損生物的附著也是船舶減阻技術難以在工程實際中應用的重要原因之一，因為任何一艘新的或經過清潔處理的船舶浸入到海水中，很快就會有海洋污損生物附著在船體表面，這使得幾乎所有經過設計的表面都失去減阻效果。防污是減阻技術實現的技術保證，另一方面，防污技術的實現本身可以保證船體表面光潔，從而達到減阻的目的，但這種減阻不是主動意義上的減阻，由于目前防污和主動減阻是分開研究，因此，防污、減阻2 種技術分別使用時由于所考慮的重點不同，面臨著不可調和的技術難題。同時實現防污和主動減阻技術的集成，就可以解決防污、減阻2 種技術分別使用時面臨的技術難題，最終實現船體高效靜態防污與顯著動態減阻的協同作用。

生物仿生技術促進了許多領域的發展，對船體防污減阻也有很大的啟發［5］。協同作用指通過2種或2 種以上的方式達到相同的目的，并且不同的方式之間沒有排他性，反而有相互促進的作用，現在已有將協同作用運用于防污研究［6］。人們發現鯊魚、海豚、貝殼等海洋生物表面不僅常年不受污損生物的附著，同時還有一定的減阻效果。如果船體可以具有類似于鯊魚、海豚、貝殼等海洋生物的表面，就可以同時實現防污和主動減阻技術的集成，并可解決防污、減阻2 種技術分別使用時面臨的技術難題，最終實現船舶高效靜態防污與顯著動態減阻的協同作用，對航運業的節能降耗具有重要意義。受此啟發，提出將微結構仿生防污延伸到微結構的主動仿生減阻，利用仿生表面微結構同時實現防污和主動減阻，構建仿生防污、減阻的一體化技術，這將具有重要意義，可望為解決防污、減阻2 種技術分別使用時面臨的技術難題提供新的思路。

3 仿生防污減阻協同作用技術

3.1 鯊魚皮防污減阻機制分析

鯊魚作為海洋中進化最完美的捕食者，終日生活在海水中，但是其皮膚表面卻不附著任何的海生物，并且其捕食時的行進速度非常快，這表明鯊魚皮具有較好的防污和減阻效果。一直以來針對鯊魚的仿生研究也取得了豐碩的成果。

鯊魚皮能同時具有防污和減阻作用和它的表面微結構和分泌的生物粘液有關。鯊魚表皮覆蓋了一層微小的楯鱗，排列緊湊有序，呈齒狀，齒尖趨向同一方向，相互排列成復瓦狀。楯鱗上的有3 個脊狀突起的為肋條，肋條之間構成具圓弧底的溝槽，肋條長度為200 ～400μm，肋條之間的距離為100 ～140μm，U 型溝槽深度為50 ～70μm。肋條減阻已經被實驗廣泛證實，最大減阻率一般不超過10%，但減阻機理仍存在分歧。

澳大利亞學者Scardino［7］提出著名的“吸附點理論”認為:微生物更易附著在表面紋理尺寸大于其身體大小的地方，當表面微觀紋理的尺寸小于其身體大小的時候則附著率低。鯊魚表面特殊的楯鱗肋條結構具有微觀結構，不利于一些生物的附著。但研究表明，不同尺度的表面對海洋污損生物附著性能的影響并不相同，且任何單一結構的人工表面都不能同時防止多種海洋污損生物的附著，如表面粗糙度為33 ～97μm 的人工表面可以防止某種藤壺類生物的附著，當表面粗糙度達到2 ～4 mm 時，表面上附著的藤壺類生物就會大大減少，而表面粗糙度為0.5 ～1 mm 的人工表面卻易于被硅藻、纖毛蟲、苔蘚蟲和貽貝附著［8］。所以防污是一個復雜的過程，不能簡單歸結于表面特殊的楯鱗肋條結構。鯊魚表皮還分泌黏液，形成親水低表面能表面，也會使海洋生物難以附著，再加上鯊魚的游動會造成水流的沖刷作用及凹槽的導流作用，會沖刷除去附著不牢固的污損物。這充分體現出防污減阻協同作用機制，防污使鯊魚表皮能夠保持清潔，這樣肋條減阻就能充分發揮減阻作用，使鯊魚能夠保持較高的移動速度，反過來較高的移動速度保證鯊魚在運動過程中產生足夠的水流沖擊作用沖刷除去可能已附著的污損物，如此形成良性循環。

3.2 海豚表皮防污減阻機制分析

海豚的表面有一層十分光滑的粘膜，同時含有許多微小的絨毛，這些突起絨毛可以持續分泌主要成分是具有很好吸水性的粘液蛋白，這種蛋白能夠在表面形成一層很薄的水膜，所以不但可以減小自身在水中的阻力，而且還能防止微生物粘附。

海豚表皮的減阻機理一般定義為柔性壁減阻機理，其減阻原因通常被解釋為:粘彈性材料的柔性壁可以提高層流邊界層的穩定性，從而推遲邊界層的轉捩。進一步的研究發現，粘彈性柔性壁對于湍流邊界層也有減阻作用［9］。

防污機理是由于它們皮膚的表皮上有一層能夠分泌類似水凝膠分泌物的不穩定絨毛，而分泌的水凝膠具有超吸水性，因此，它能夠在海豚的表皮形成一層很薄的水膜，水膜在絨毛的擺動下自身也在一定范圍內機械搖擺，這樣微生物很難識別，也很難有效地粘附在皮膚上，從而使得皮膚具有很好的抗污損生物粘附的作用。受此啟發，丹麥人牌集團(Hempel)2008年11月底推出了基于硅酮水凝膠技術的第3 代海生物不粘附涂料產品Hempasil X3，這種涂層原理很簡單:超級吸水凝膠在船體表面形成一道聚合物網，使有機物感覺船體表面是流動的液體而非固體，從而不會粘附［10］。此涂料經航海試驗證實，每艘船舶可因此每年減少高達150 萬美元的船舶燃油費，同時，也能顯著減少船舶的CO2排放量。但此類技術仍需要克服模擬海豚皮膚表面黏液層代謝更新功能和絨毛動態柔性脫附功能的難題。

3.3 荷葉表面防污減阻機制分析

20世紀70年代，德國波恩大學的植物研究所所長Barthlot［11］在觀測植物葉片結構的時候，就發現了荷葉的自清潔特性。開始人們認為荷葉表面的微結構和蠟狀物質使荷葉具有超疏水性能，從而使荷葉能保持自潔。當接觸角接近0°時，該表面稱為超親水表面。同樣的，當接觸角大于90°時，該固體表面稱為疏水表面，當接觸角大于150°時，該表面稱為超疏水表面。而在2002年，中科院院士江雷［12］領導的研究小組發現在荷葉表面的尺度為微米級的乳突結構上，還細密地分布著納米結構。這種二級微納米復合結構對荷葉表面具有超疏水性質有更加重要的作用。

近年來人們發現超疏水表面還能夠減小流動阻力，也是二級微納米結構起的作用。由于二級微納米結構的存在，使物體浸入水下后不能完全浸濕，超疏水表面微細結構的空隙之中存在微氣泡，從而形成了氣液自由剪切界面，達到減小阻力的效果。

清華大學相關實驗證實，在層流的情況下二級微納米結構的超疏水表面流動減阻達到36.3%。在湍流條件下，超疏水表面也能夠減阻，并且湍流中的流動減阻效應比層流中的流動減阻效應更加明顯，在無序纏繞碳納米管超疏水表面槽道中，流動減阻達到了53.3%。這是因為超疏水表面增大了槽道中的轉捩雷諾數，使得流動更不容易進入湍流狀態［13］。與肋條減阻相比，超疏水表面具有更好的減阻效果，但當流動中的壓力超過超疏水表面結構間的空隙被浸潤的臨界壓力時，流體就將浸潤到結構間的空隙之中，或者浸泡時間過長微氣泡也會相應減少，減阻效果就會消失。所以要運用于船舶防污減阻，必須解決微氣泡逃逸這一技術難題。

3.4 貝殼表面防污減阻機制分析

鯊魚和海豚所分泌的特殊的親水性高分子粘液的組成(成份)仿生非常復雜，在工程實際中也難以實現粘液的持續供給。更重要的是，鯊魚和海豚在海水中的行進速度較快，而海洋污損生物的附著量和船舶在港灣停靠的時間成正比，停靠的時間越長，附著的量就越大，船舶在航行時則附著較少。因此，以鯊魚和海豚作為船體防污、減阻的仿生對象和工程實際有著一定的差別。而荷葉表面是依靠二級微納米結構空隙中的微氣泡減阻，能否使微氣泡長時間不逃逸，仍有待于進一步研究。貝殼長時間生活在水中，且通常以相對靜止的狀態存在于海洋中，即使移動起來也很緩慢，符合船體表面主要在靜態過程中發生污損的實際情況。因此，選擇以貝殼為仿生目標，探討其防污減阻性能以應用于船體表面是一個極具實用價值的研究問題。

貝殼的表面紋理也是一種肋條結垢，但與鯊魚楯鱗肋條結構不同的是，它具有一定的弧度，類似于鳥類羽毛形成的人字形肋條結構。研究表面與傳統肋條減阻相比，該種結構具有更好的減阻效果，最大減阻率可達16%［14］。

貝殼防污也是基于吸附點理論，以日本鏡蛤為例:硅藻為最常見的小型污損生物之一，大小從幾個微米到幾十微米，大于日本鏡蛤表面紋理上的小鱗片尺寸，因此硅藻不易粘附在日本鏡蛤表面。由于以硅藻為主體的微生物黏膜的形成是大型污損生物附著的先決條件，日本鏡蛤表面無硅藻附著，其他大型污損生物的幼體、游動孢子等在日本鏡蛤表面就失去了附著基礎。運用于船體，防污減阻協同作用機制就可以發揮更大的作用，防污使船殼能夠保持清潔，這樣肋條減阻就能充分發揮減阻作用，使船舶能夠保持較高的移動速度，反過來較高的移動速度保證船舶在前進過程中產生足夠的水流沖擊作用沖刷除去可能已附著的污損物，形成一個良性的循環。

4 基于貝殼仿生的防污減阻協同技術及其實現

仿貝殼表面形貌的船舶綠色防污減阻協同作用技術完全依靠材料的表面結構，不存在環境與生態問題，也不給船舶帶來附加設備或額外能量消耗及空間占用，其優良的物理性能將為探索船舶綠色防污減阻技術提供一條新的途徑［8］。具體研究內容如圖2所示。

1)選取合適的貝殼作為研究對象

海洋中生活著大量的貝類，不同種類的海洋貝類抗污損能力差別極大，有的貝類如生蠔、華貴櫛孔扇貝表面極易被污損生物附著，有的貝類如加夫蛤、紫貽貝、日本鏡蛤等，其外殼都非常潔凈，沒有海洋污損生物附著。

2)確定表面微結構的尺度效應與減阻特性

獲得具有防污性能的貝殼表面微結構的尺度范圍，在整個防污尺度范圍內對貝殼表面微結構的減阻特性進行仿真分析，優選出具有減阻性能的尺度范圍，獲得貝殼表面微結構防污、減阻一體化的最佳尺度范圍，建立具有防污減阻協同效應的表面結構特征參數體系，從理論上獲得既防污又減阻的特征參數。

3)分析貝殼表面防污減阻協同作用機理

建立多尺度貝殼表面微結構與其防減阻特性的關系模型，基于附著點理論以及流體動力學理論，采用界面特性仿真分析，探討貝殼表面微結構防污減阻協同作用機理。

4)仿生表面的設計、制備與實現方法

圖2 貝殼防污減阻核心思想與技術路線Fig.2 Core ideas and technology roadmap of shell anti-fouling and drag reduction

以防污減阻協同效應貝殼表面形貌為仿生對象，基于表面結構特征參數體系設計具有防污減阻協同效應的表面微結構，分別采用生物復制成形技術，基于機械、激光、電加工的復合加工技術，以及表面織構流變涂料等3 種方法，制備準生物原型形貌的具有防污減阻協同效應的仿生表面。

5)實驗驗證

采用海洋污損生物附著檢測實驗平臺，結合淺海掛板實驗，檢測防污減阻協同效應仿生表面的防污能力，研制材料表面阻力性能實驗室快速測量實驗裝置，結合船模拖曳實驗，對防污減阻協同作用仿生表面的減阻性能進行測試，并建立仿生表面防污減阻性能的實驗室快速評價方法。

目前，采用生物復制法已能精確地復制出貝殼表面的微米級精細結構，驗證了日本鏡蛤和加夫蛤的防污效果［15］。同時將具有防污功能的日本鏡蛤和加夫蛤的生長線紋理分別簡化為三角形、矩形和半圓形3 種溝槽，對這3 種表面微結構的減阻性能進行了數值仿真分析，仿真結果表明，這2 種貝殼的3 種溝槽表面都具有減阻效應，但更接近貝殼紋理的復雜溝槽結構的數值模擬還有待于進一步的研究。更深入的防污減阻協同驗證實驗也將在相關理論研究和數值模擬的推動下逐步展開。

5 結 語

1)防污、減阻2 種技術分別使用時由于所考慮的重點不同，面臨著不可調和的技術難題，將微結構仿生防污延伸到微結構的主動仿生減阻，利用仿生表面微結構同時實現防污和主動減阻，構建仿生防污、減阻的一體化技術，可望有效解決這一問題。

2)防污減阻協同作用可以增強彼此的作用，防污使船體表面能夠保持清潔，減阻微結構就能充分發揮減阻作用，使船舶能夠保持較高的移動速度，反過來較高的移動速度又使船舶在前進過程中產生的水流沖擊作用沖刷除去可能已附著的污損物，形成一個良性的循環。

3)選取貝殼作為防污減阻協同作用研究對象，更符合船舶的實際工況，并探討了其防污減阻協同作用技術路線。

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