師法自然的深海潛水器

在人類生存的藍色星球上，最廣闊、最神秘的疆域是深邃的海底。馬里亞納海溝作為最極端的深海環境，擁有萬米深度、永恒黑暗和巨大水壓。為了叩開這扇通往地球最深處的大門，中國的科學家與工程師們，經過數十年的不懈努力與技術積淀，成功打造了舉世矚目的載人深潛“三駕馬車”：具備7000米級下潛能力的“蛟龍”號、4500米級的“深海勇士”號，以及最終成功坐底10909米、實現了萬米級歷史性突破的“奮斗者”號。這些凝聚著人類最前沿科技的深海探測器，其設計靈感卻來自那些最普通的海洋生物。

極限重壓下的生存鎧甲

在深海探測工程中，靜水壓力是最基礎、也最嚴峻的物理挑戰。根據流體靜力學基本原理，海水深度每增加10米，壓力會增加1個標準大氣壓（101.325千帕），這意味著在萬米深淵的馬里亞納海溝底部，潛水器承受的壓力會達到110兆帕，約合每平方厘米1.1噸的載荷。這個數值的物理意義可以這樣理解：相當于在指甲蓋大小（約1平方厘米）的面積上，承受一輛小型轎車（約1.1噸）的重量。人類在深海探索中創造了一個工程奇跡——球形鈦合金載人艙。這個設計不是偶然的選擇，而是基于物理學原理的深刻理解。球體獨特的幾何特性使其能夠均勻分散來自四面八方的水壓，就像一個完美的壓力容器。工程師們選擇了鈦合金這種特殊材料，它強度極高，重量卻相對較輕，就像為潛水器打造了一套輕便而堅固的盔甲。這個渾然一體的金屬球體，在萬米深海的極端環境中，為科學家們創造了一個安全的工作空間，讓他們能夠在與海平面相同的氣壓環境中開展研究。

有趣的是，大自然早已為深海生存提供了絕妙的解決方案。在印度洋深處，生活著一種神奇的生物——鱗足螺。這種生活于深海熱液口的螺類，外殼不是由常見的碳酸鈣構成，而是由二硫化鐵（黃鐵礦）組成，相當于一座“鐵房子”。更令人驚嘆的是，它的身體組織和運動器官也富含鐵元素。從硬度來看，這種“鐵殼”的防護能力是普通螺殼的兩倍多。可見，在極端環境下，采用最高強度的材料構建防護系統，是動物和人類工程師共同遵循的生存法則。

海底作業的原始動力

擁有了堅固的鎧甲，下一步便是賦予這件“鎧甲”以行動的能力，讓它從一個靜態的“堡壘”變為一個動態的“潛艇”。在比空氣密度高出七八百倍的水中，高效的移動本身就是一項巨大的挑戰。深海潛水器若想在深海空間中自由遨游、精準作業，就必須擁有一套高效、靈活的動力推進系統。這套系統的核心，便是我們既熟悉又陌生的“螺旋槳”。

螺旋槳的發明歷程本身就充滿戲劇性。1836年，英國工程師弗朗西斯·佩蒂特·史密斯在進行船舶推進試驗時，原本想復制阿基米德螺旋泵的設計。當他的試驗船“阿基米德”號在泰晤士河航行時，木質螺旋槳意外撞上浮木斷裂，只剩下部分葉片。令人驚訝的是，殘缺的螺旋槳反而讓船速顯著提升。這個偶然發現揭示了螺旋槳效率的關鍵在于葉片形狀，而非長度，這促成了現代螺旋槳的誕生。

與通常只有一到兩個巨大主螺旋槳的潛艇或輪船不同，載人潛水器為了完成懸停、定點取樣、機械手操作等一系列精細動作，其螺旋槳的配置要復雜得多。以“蛟龍”號為例，它身上通常會配備多達7個螺旋槳推進器，這些推進器的布局巧妙地模仿了魚類的鰭，各司其職，協同工作，共同賦予了潛水器無與倫比的機動性：尾部的主推進器如尾鰭，提供前進后退的動力；兩側和頂部的輔助推進器則如胸鰭和背鰭，負責轉向、翻滾和升降等精細動作。在更為先進的“奮斗者”號上，這些推進器甚至被巧妙地“鑲嵌”在潛水器外殼的浮力材料凹槽之中，使其外形更加流暢，也起到了極佳的保護作用。

有趣的是，海螺的移動原理與潛水器推進系統形成了鮮明對比。海螺依靠圓錐形外殼引導水流減少阻力，是被動的“流體力學模型”；而潛水器則通過主動旋轉螺旋槳獲得動力。這兩種截然不同的螺旋，展現了自然進化與人類工程智慧解決相同問題的不同路徑。從潛水器的動力槳葉，到海螺的流線型外殼，我們看到了螺旋形態在流體世界中的精妙應用。

掌控重力的深海博弈

對于一艘需要往返于海面和萬米深淵的潛水器來說，如何安全、可靠、精確地控制自身的上浮與下潛，是一項至關重要的技術。它不僅關系到科考任務是否能順利完成，更直接關系到艙內人員的生命安全。這其中，包含著兩種既相互獨立又緊密配合的策略：其一是被動的、確保安全返航的“生命線”，其二則是主動的、實現精準作業的“調節閥”。潛水器主要的上浮動力，并非來自螺旋槳，而是來自于包裹在載人球艙外部的“浮力外殼”。這種外殼由一種特殊的、十分輕便的固體浮力材料制成，它就像一件為潛水器量身定做的、永不失效的巨型“救生衣”。當潛水器在海底完成任務后，只需拋掉用于增加下潛重量的壓載鐵，這件“救生衣”所提供的巨大正浮力就會將整個潛水器平穩、安全地帶回海面。

然而，僅有正浮力還不夠，潛水器還需要在任意指定深度進行懸停作業。要實現這一點，就必須擁有一套能夠主動、精確調節自身浮力的“秘密武器”。而這套“武器”的設計藍圖，同樣來自于一種海螺，古老的“深海活化石”——鸚鵡螺。

鸚鵡螺，是一種在地球上生活了超過5億年的頭足綱動物，它經歷了恐龍的興盛與滅絕，見證了地球生命的數次大滅絕，是名副其實的“活化石”。無論是儒勒·凡爾納的科幻小說《海底兩萬里》中尼摩船長的神秘潛艇，還是現實世界中美國的第一艘核潛艇，都以“鸚鵡螺”為名，這足以證明，它在人類潛航探索史上的重磅地位。鸚鵡螺之所以備受推崇，是因為它早在億萬年前，就已進化出了一套堪稱完美的浮力控制系統。它的螺殼內部，被許多橫向的隔板精巧地分成了幾十個獨立的“房間”，被稱為“氣室”。當它需要上浮時，就會將“氣室”中的水排出，讓“氣室”充滿自身體內的氮氣，從而減輕總重量；當它需要下沉時，則反向操作，往“氣室”里回滲液體，增加自身總重量。通過精準地調節這些“房間”里的液體量，鸚鵡螺就能隨心所欲地改變自身在水中的重量，從而實現靈活的上下浮沉。人類工程師深受啟發，將這一原理原封不動地“移植”到了現代潛艇和深海潛水器的設計之中。潛水器“肚子”里的“秘密武器”，正是一套模仿鸚鵡螺的“浮力系統”，它由若干個“壓載水艙”和數個“高壓氣罐”組成。

此時，也許會有人提出疑問：我們常見的魚類，不也是通過體內的魚鰾來控制浮沉的嗎？為何潛水器不模仿魚鰾，而去模仿更為古老的鸚鵡螺呢？要回答這個問題，我們必須先理解浮力控制中兩種截然不同的基本策略，其背后都遵循著偉大先賢阿基米德所提出的“浮力原理”：物體所受的浮力，等于其排開的液體的重力。魚類的策略，是改變自身的體積。魚鰾是一個可以收縮和膨脹的氣囊，當魚需要下沉時，它會壓縮魚鰾，使自身總體積變小，排開的水少了，浮力也就變小了。反之亦然。而鸚鵡螺和潛水器的策略，則是改變自身的總重量。它們的外殼都是堅硬的，體積基本保持不變，所受的浮力也基本恒定。它們的浮沉博弈，變成了自身重力與恒定浮力之間的較量：當重力大于浮力時下沉，小于浮力時上浮。

對于需要在極大壓力范圍內穿梭的深海潛水器而言，對于這兩種策略的選擇是生死攸關的。改變體積的策略在深海極其危險。“蛟龍”號科考中一個真實的故事可以說明這一點：科研人員曾將一條從幾千米深海捕獲的紫色大海參帶回海面。這條早已適應了深海高壓的海參，在被帶回海面的過程中，其體外的海水壓力急劇減小，但它身體內部的“高壓”卻無法快速釋放，最終，這條海參就像一個被不斷充氣的“氣球”，在水箱中發生了“爆炸”。這一不幸事件表明，在巨大的壓力差面前，任何試圖改變體積的浮沉方式都潛藏著風險。因此，對于外殼堅硬、內部需保持一個大氣壓的載人潛水器而言，模仿鸚鵡螺，保持體積恒定，通過改變自身重量來調節浮沉，無疑是相對安全、可靠的選擇。

師法自然的科技智慧

海螺的特殊構造令人驚嘆，它的外殼不僅能抵御巨大水壓、暗藏流體動力學的精妙設計，還主宰著沉浮。這種自然進化的智慧，為人類研制潛水器提供了寶貴的參考經驗。現代深海潛水器的設計處處體現著對海洋生物的借鑒。從承壓結構到推進系統，工程師們從海螺等海洋生物身上不斷學習著。這些經過億萬年進化的生物，為解決深海探索的技術難題提供了天然范本。

在科技發展過程中，向自然學習已成為重要方法。無論是深海探索還是太空開發，生物演化形成的解決方案往往比人工設計的更加高效節能。這種仿生學思路，正在推動人類的探索技術不斷進步。

（小白摘自《百科知識》2025年第17期）