趙德峰，陳貞祥，趙海燕，錢風(fēng)雷

仿生摩擦學(xué)是應(yīng)用仿生學(xué)的原理和方法，研究類似生物系統(tǒng)表面功能特性的摩擦學(xué)科學(xué)與技術(shù)及其應(yīng)用的一門交叉學(xué)科，通過揭示生物優(yōu)異的摩擦學(xué)特性形成的機(jī)制以開發(fā)相應(yīng)的仿生摩擦學(xué)技術(shù)，并應(yīng)用這種技術(shù)于節(jié)能、減排和環(huán)境保護(hù)等方面[1]。應(yīng)用該學(xué)科原理開發(fā)的仿生減阻材料在油氣運(yùn)輸、供水等領(lǐng)域有著廣泛的研究和應(yīng)用[2-3]，但在體育領(lǐng)域研究較少。水下機(jī)器人、水下航模、潛水和沖浪等水下運(yùn)動(dòng)中，要克服流體力學(xué)中的波阻、型阻和摩擦阻力，因此降低游進(jìn)過程中的阻力會(huì)帶來更好的速度體驗(yàn)，并減少能量消耗。因此本研究通過應(yīng)用仿生摩擦學(xué)原理進(jìn)行水下減阻材料的探索性研究，制備水下運(yùn)動(dòng)減阻材料并分析其減阻性能。

1 研究方法

1.1 包裹物漂浮測(cè)試

1.1.1 測(cè)試裝置

游泳水槽是水平放置的直徑為0.2 m、長(zhǎng)15 m的半圓形水槽，槽內(nèi)通入恒定流速的水流。漂浮物為具有一定體積、密度能完全漂浮在水流表面的物體，測(cè)試裝置如圖1。

圖1 測(cè)試裝置簡(jiǎn)單示意圖Figure 1 Schematic Diagram of Test Devices

1.1.2 測(cè)試方法

在相同流程和流速下分別測(cè)試空白漂浮物、涂覆水減阻材料、涂覆油減阻材料和涂覆仿鯊魚黏液減阻材料的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，3種減阻材料涂覆厚度均勻一致。漂浮物放置于起點(diǎn)線開始計(jì)時(shí)，沖至終點(diǎn)線結(jié)束測(cè)試，計(jì)算漂浮時(shí)間，每種漂浮物各進(jìn)行120組試驗(yàn)，優(yōu)選誤差在5%以內(nèi)的30組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2 統(tǒng)計(jì)方法

采用SPSS15.0統(tǒng)計(jì)軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)（One-Way ANOVA）進(jìn)行組間差異比較，數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，P＜0.05或P＜0.01表示差異具有顯著性。

2 研究結(jié)果

2.1 減阻材料的制備

鯊魚黏液主要由水溶性高分子和不溶于水的脂肪類物質(zhì)構(gòu)成，分泌后迅速溶脹發(fā)黏形成黏液，粘附于魚類的體表，將魚體與水環(huán)境隔開，形成邊界層，在微湍流極強(qiáng)的區(qū)域，黏液的局部溶解衰減了微湍流時(shí)邊界層的振動(dòng)，最大程度減少了游動(dòng)時(shí)的阻力。因此本研究在分析鯊魚黏液成分的基礎(chǔ)上，選用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酰胺（PAM）等超高分子量聚合物減阻劑，采用納米填充技術(shù)及微膠囊技術(shù)等制備配方，將以上多種超高分子量的聚合物減阻劑同時(shí)使用，相互配合，發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，再配合相關(guān)助劑及護(hù)膚成分，然后根據(jù)不同減阻材料體系研究減阻效果。

本研究通過基礎(chǔ)配方中變量物的可變范圍組合出上百種配方，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)室手段檢測(cè)各減阻材料配方的減阻效果，優(yōu)化減阻材料配方，最終確定3種材料配方如下。

（1）復(fù)合水減阻材料：常溫下，472.9 g去離子水中加入2.5 g二甲基硅油，1 200 rpm/min攪拌5 min，快速均勻地加入6.5 g PAM、2.5 g羥乙基纖維素、5 g蘆薈粉、0.5 g乙二胺四乙酸二鈉、2.5 g透明質(zhì)酸鈉、0.1 g納米二氧化硅，繼續(xù)攪拌分散20 min后，加入2.5 g甘油同時(shí)降低攪拌速度到1 000 rpm/min，攪拌60 min。

（2）復(fù)合油減阻：常溫下，384.4 g去離子水中加入 2.5 g透明質(zhì)酸鈉、5 g PAM、1.5 g羥乙基纖維素、5 g蘆薈粉、1 gPVP、0.5 g乙二胺四乙酸二鈉和2.5 g甘油，1 000 rpm/min攪拌，均質(zhì)（1相），35 g全氟聚醚、35 g環(huán)五聚二甲基硅氧烷、10 g椰油酰基谷氨酸二鈉溶液、15 g烷基葡萄糖苷、2.5 g二甲基硅油、0.1g納米二氧化硅，1000rpm/min攪拌，均質(zhì)（2相），將1相在10 min內(nèi)加入2相，均質(zhì)1 h。

（3）仿鯊魚黏液減阻：常溫下，2.5 g透明質(zhì)酸鈉溶于250 g去離子水中至均勻狀態(tài)（1相）；229 g去離子水中依次加入3 g烷基葡萄糖苷、8 g阿拉伯樹膠、5 g PVP、2.5 g PAM 并 1 000 rpm/min攪拌至均勻狀態(tài)（2相），將2相加入到1相中1 000 rpm/min攪拌至均勻狀態(tài)，放置脫泡。

3種成品均為啫喱狀，涂抹后無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、無(wú)刺激、無(wú)興奮劑成分，具有易攜帶、易涂抹、快干、簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。

2.2 包裹物漂浮測(cè)試結(jié)果

由表1可見，與對(duì)照組相比，3種減阻材料均可增加漂浮物運(yùn)動(dòng)時(shí)間。涂覆水減阻減阻材料樣品組的漂浮物運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加了0.062 s，差異具有顯著性意義（P＜0.01）；涂覆油減阻減阻材料樣品組的漂浮物運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加了0.126 s，差異具有顯著性意義（P＜0.01）；涂覆仿鯊魚黏液減阻材料樣品組的漂浮物運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加了0.146 s，差異具有顯著性意義（P＜0.01），仿鯊魚黏液處理效果最好。

表1 不同減阻材料水槽運(yùn)動(dòng)時(shí)間對(duì)比（±S）Table 1 Comparison of Swim Time with Different Drag Reduction Materials(±S)

表1 不同減阻材料水槽運(yùn)動(dòng)時(shí)間對(duì)比（±S）Table 1 Comparison of Swim Time with Different Drag Reduction Materials(±S)

注：*表示與對(duì)照組相比，差異具有顯著性P＜0.05；**表示差異具有非常顯著性P＜0.01

運(yùn)動(dòng)時(shí)間/s對(duì)照組 3 0 6.0 4 3±0.0 1 0水減阻組 3 0 6.1 0 5±0.0 1 3**油減阻組 3 0 6.1 6 9±0.0 1 0**仿鯊魚黏液組 3 0 6.1 8 9±0.0 1 2**N

3 分析與討論

創(chuàng)立于20世紀(jì)60年代的仿生學(xué)對(duì)人類的生產(chǎn)和活動(dòng)帶來了重大影響，逐步滲透到生活的各領(lǐng)域，仿生學(xué)是生命科學(xué)與機(jī)械、材料和信息等工程技術(shù)學(xué)科相結(jié)合的交叉學(xué)科，目的是研究和模擬生物體的結(jié)構(gòu)、功能和行為，為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)理念[4]。仿生學(xué)在體育領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在動(dòng)作仿生[5]、康復(fù)器材仿生[6]、材料仿生[7-8]等幾個(gè)方向，仿生摩擦學(xué)是仿生學(xué)與摩擦學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科，在體育領(lǐng)域研究較少。有研究將鯊魚減阻應(yīng)用于泳衣設(shè)計(jì)，達(dá)到提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的目的。目前研究最多的是仿生鯊魚皮減阻和仿生超疏水表面減阻，其中仿生鯊魚皮表面減阻是通過直接復(fù)刻鯊魚皮表面的盾鱗結(jié)構(gòu)和仿鯊魚皮溝槽實(shí)現(xiàn)減阻目的[9-11]。

鯊魚可以在水中高速游動(dòng)，除了特殊的體型和身體結(jié)構(gòu)外，還有魚類體表黏液的作用[12]。黏液將魚體與水環(huán)境隔開，形成邊界層。在微湍流極強(qiáng)的區(qū)域，黏液的局部溶解衰減了微湍流時(shí)邊界層的振動(dòng)，最大程度地減少了游動(dòng)時(shí)的阻力，可以使鯊魚瞬間提速，并在一定時(shí)間內(nèi)保持相當(dāng)高的速度[13]。因此本研究主要進(jìn)行仿鯊魚黏液減阻的研究，運(yùn)動(dòng)中阻力減少能量消耗。研究表明鯊魚黏液中的減阻成分主要包括高分子量水溶性大分子、表面活性劑類物質(zhì)以及氣泡等。因此本研究依據(jù)鯊魚體表黏液的成分及作用原理，將多種超高分子量的聚合物減阻材料組裝在一起，并采用納米填充技術(shù)，配合其他助劑結(jié)合形成類鯊魚黏液的水凝膠，進(jìn)而研究各種減阻材料的實(shí)際減阻效果。

宋美艷等通過乳液聚合法制備表面具有聚乙二醇支鏈的聚苯乙烯微球，將微球懸浮液與丙烯酸酯聚合物乳液共混，采用涂覆的方式制備仿生減阻涂層，具有減阻和防污性能，對(duì)水下構(gòu)件表面設(shè)計(jì)提供新的途徑[14]。由于本研究制備的減阻涂層可應(yīng)用于人皮膚表面，必須具備無(wú)毒、無(wú)興奮劑、無(wú)刺激等特性，這限制了材料和方法的選擇。因此，本研究?jī)?yōu)先選用安全無(wú)毒的高分子聚合物減阻材料，同時(shí)在配方中添加了小分子活性保濕營(yíng)養(yǎng)成分，有利于皮膚對(duì)減阻材料的吸收，提高了減阻材料的停留時(shí)間，并使其在實(shí)現(xiàn)良好減阻效果的同時(shí)進(jìn)行皮膚的保護(hù)及保養(yǎng)。在此基礎(chǔ)上，本研究采用納米填充、微膠囊技術(shù)制備的納米微膠囊，將減阻材料完全包覆起來，可以在水中緩慢連續(xù)釋放。

研究結(jié)果表明，涂覆水減阻材料、油減阻材料和仿鯊魚黏液減阻材料的漂浮物運(yùn)動(dòng)時(shí)間均明顯增加，與空白漂浮物組相比，差異具有顯著性意義（P＜0.01），但仿鯊魚黏液處理效果最好。本研究的3種減阻材料配方均含有多種水溶性高分子聚合物減阻材料（如聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯、瓜爾膠、羥乙基纖維素等）。涂抹減阻材料后，物體在水中游動(dòng)時(shí)表面會(huì)形成一層減阻薄膜，將物體與水環(huán)境隔開，其減阻機(jī)理是涂層表面溶解出來的線型高分子抑制初始剪切渦，吸收壓力脈動(dòng)能量，溶脹涂層的柔性效應(yīng)抑制和吸收壓力脈動(dòng)，減小物體與水之間的摩擦阻力，起到減阻的效果，提高游泳速度。

齊艷杰闡述了主催化劑、助催化劑、聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量及相對(duì)分子質(zhì)量分布、聚合物的空間構(gòu)型、聚合物后處理等對(duì)高分子減阻劑減阻性能的影響，研究認(rèn)為減阻劑的溶解能力是影響減阻效果的關(guān)鍵因素之一[15]。本研究設(shè)計(jì)了水減阻、油減阻和仿鯊魚黏液減阻3種減阻材料，雖然都有明顯減阻效果，但由于配方不同，涂覆物體表面后，溶解能力存在一定差異，仿鯊魚黏液的溶解能力最好，減阻效果更明顯。張松松通過仿生學(xué)原理制備超疏水涂層和水凝膠緩釋涂層，考察減阻的可能性并對(duì)減阻機(jī)理進(jìn)行了分析，研究通過對(duì)涂層的形貌及表面浸潤(rùn)性等性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度對(duì)疏水性具有重要的影響[16]。 但由于測(cè)試條件限制，本研究未進(jìn)行水下機(jī)器人、水下航模、潛水及沖浪等水下運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的減阻效果差別研究，在今后研究中，將制備的三種減阻材料應(yīng)用于不同表面結(jié)構(gòu)的水下運(yùn)動(dòng)器材上，并分析其減阻性能，會(huì)發(fā)揮出更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

4 結(jié)論

利用仿生摩擦學(xué)原理，應(yīng)用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酰胺（PAM）等超高分子量聚合物制備的仿鯊魚黏液減阻材料在水下運(yùn)動(dòng)減阻方面有明顯減阻效果。