基于仿生的船体防污减阻协同作用及其进展

付宜风，白秀琴，袁成清，严新平

(1．武汉理工大学 能源与动力工程学院可靠性工程研究所，湖北 武汉430063;2．武汉理工大学 船舶动力工程技术交通行业重点实验室，湖北 武汉430063)

0 引 言

船舶是一种重要的交通运输工具，特别是在国际贸易中扮演着举足轻重的作用，根据联合国贸易和发展会议发表的《2010 海上运输回顾》报告显示，2009年全球海上贸易总量约为78.4 亿吨，全球货物流动80%的市场份额是通过海上运输进行的［1－2］。同时船舶每年也消耗了大量的能源，据报道2011年全球船用油年消耗量约1.95 亿吨，价值达1 300 亿美元。目前，随着能源危机和环境保护越来越受到人们的重视，船舶的节能减排已成为研究的热点。船体防污和减阻技术是实现节能减排的有效途径，一直以来也受到人们高度的重视。但人们总是从防污或减阻某一方面进行相关研究，实际上防污和减阻有一定的联系，防污的目的之一就是减阻，许多减阻技术的前提条件也是要求船体有防污能力，反过来减阻也会在一定程度上促进防污，所以有必要开展船体防污减阻协同作用的研究。

1 防污减阻的重要性

船体防污一直是困扰航运界的一大难题，任何一艘刚下水的船体表面由于受静电力和范德华力等的作用，在数分钟之内表面很快沉积一层由多聚糖、蛋白质、糖蛋白等组成的有机物膜，即条件膜。随后，细菌等微生物通过分泌胞外大分子物质(extracellular polymeric substance，EPS)改变物体表面的化学性质，促进自身的附着，一旦附着条件合适，细菌就会大量分泌EPS，使其永久附着，最后与其他微生物、有机物等形成一层凝胶结构的生物膜或黏膜，成为提供酶相互作用、交换营养物质的场所。由于生物膜提供了丰富的营养物质和良好的生长环境，会诱使其他原核生物、真菌、藻类孢子和大型污损生物的幼虫在生物膜中生长、变态及繁殖，最后就会形成复杂的生物群落和大型污损生物层［3－4］，过程如图1所示。

图1 海洋生物附着及污损过程Fig.1 Process of marine biofouling and fouling

当船体受到污损生物附着时，船体表面变得更加粗糙，船在前进过程中，不但增加了附着污损生物的重量，由于污损生物的存在还会带动周围一圈水体一起向前运动，造成阻力大幅增加。假如船动力一定，阻力的增加会降低船速;相应地，为了保持原来的速度必然要增加动力。这显然会造成经济上的损失，燃料的过渡消耗，行程的延误。同时污损生物的附着还会加速船体的腐蚀，增加船舶返坞维修次数。所以人们很早就关注船体防污技术的研究，也取得了一系列的成果。

船舶在运动过程中，受到的阻力主要包括:兴波阻力、压差阻力(形状阻力)、摩擦阻力等，其中摩擦阻力是最主要的组成部分，约占全部阻力的70%－80%。阻力的存在造成了大量的能源消耗和有害气体的排放，据统计国际航运每年排放8 亿吨CO2，约占全球CO2温室气体排放量的2.7%;排放的SOx占全球排放总量的10%;排放的NOx占全球排放总量的25%。2011年7月15日，在伦敦闭幕的国际海事组织(IMO)海洋环境保护委员会第62次会议，已经通过了“新船设计能效指数”和“船舶能效管理计划”两项标准，强制实施温室气体减排，并规定2015－2019年间新造船舶的能效将提高10%。这对航运业提出了新的挑战，也对新技术在船舶领域的应用也提出了更高的要求。所以船体减阻降耗技术也迎来了新的机遇，减阻主要从优化船型方面减小兴波阻力和压差阻力，或从改造物体表面结构方面改变流体边界层的状况来减小摩擦阻力。综上所述，防污减阻有助于提高船速，减少燃料消耗，符合环境保护和节能减排的要求，有着显著的经济和环境效益。

2 防污减阻协同作用的内涵

一直以来，相关研究者都是从防污或减阻某一个方面单独进行研究。防污研究者主要致力于污损生物附着过程、附着机理、基于反附着机理的各种防污技术的研究和开发，新型防污技术主要包括新型无毒低表面能防污、天然防污剂、无毒润滑剂、表面微结构防污等。而船舶减阻技术的研究者则主要致力于船体周围流体阻力特性分析、各种减阻技术的实验研究、数值仿真分析以及减阻机理探讨等方面，新型减阻技术包括气膜减阻、超空泡减阻、柔性壁减阻、表面微结构减阻等。但在实际工程应用中由于存在成本高、施工不便、有效期短等问题，到目前为止还没有形成防污、减阻的有效应用技术。

海洋污损生物的附着也是船舶减阻技术难以在工程实际中应用的重要原因之一，因为任何一艘新的或经过清洁处理的船舶浸入到海水中，很快就会有海洋污损生物附着在船体表面，这使得几乎所有经过设计的表面都失去减阻效果。防污是减阻技术实现的技术保证，另一方面，防污技术的实现本身可以保证船体表面光洁，从而达到减阻的目的，但这种减阻不是主动意义上的减阻，由于目前防污和主动减阻是分开研究，因此，防污、减阻2 种技术分别使用时由于所考虑的重点不同，面临着不可调和的技术难题。同时实现防污和主动减阻技术的集成，就可以解决防污、减阻2 种技术分别使用时面临的技术难题，最终实现船体高效静态防污与显著动态减阻的协同作用。

生物仿生技术促进了许多领域的发展，对船体防污减阻也有很大的启发［5］。协同作用指通过2种或2 种以上的方式达到相同的目的，并且不同的方式之间没有排他性，反而有相互促进的作用，现在已有将协同作用运用于防污研究［6］。人们发现鲨鱼、海豚、贝壳等海洋生物表面不仅常年不受污损生物的附着，同时还有一定的减阻效果。如果船体可以具有类似于鲨鱼、海豚、贝壳等海洋生物的表面，就可以同时实现防污和主动减阻技术的集成，并可解决防污、减阻2 种技术分别使用时面临的技术难题，最终实现船舶高效静态防污与显著动态减阻的协同作用，对航运业的节能降耗具有重要意义。受此启发，提出将微结构仿生防污延伸到微结构的主动仿生减阻，利用仿生表面微结构同时实现防污和主动减阻，构建仿生防污、减阻的一体化技术，这将具有重要意义，可望为解决防污、减阻2 种技术分别使用时面临的技术难题提供新的思路。

3 仿生防污减阻协同作用技术

3.1 鲨鱼皮防污减阻机制分析

鲨鱼作为海洋中进化最完美的捕食者，终日生活在海水中，但是其皮肤表面却不附着任何的海生物，并且其捕食时的行进速度非常快，这表明鲨鱼皮具有较好的防污和减阻效果。一直以来针对鲨鱼的仿生研究也取得了丰硕的成果。

鲨鱼皮能同时具有防污和减阻作用和它的表面微结构和分泌的生物粘液有关。鲨鱼表皮覆盖了一层微小的楯鳞，排列紧凑有序，呈齿状，齿尖趋向同一方向，相互排列成复瓦状。楯鳞上的有3 个脊状突起的为肋条，肋条之间构成具圆弧底的沟槽，肋条长度为200 ～400μm，肋条之间的距离为100 ～140μm，U 型沟槽深度为50 ～70μm。肋条减阻已经被实验广泛证实，最大减阻率一般不超过10%，但减阻机理仍存在分歧。

澳大利亚学者Scardino［7］提出著名的“吸附点理论”认为:微生物更易附着在表面纹理尺寸大于其身体大小的地方，当表面微观纹理的尺寸小于其身体大小的时候则附着率低。鲨鱼表面特殊的楯鳞肋条结构具有微观结构，不利于一些生物的附着。但研究表明，不同尺度的表面对海洋污损生物附着性能的影响并不相同，且任何单一结构的人工表面都不能同时防止多种海洋污损生物的附着，如表面粗糙度为33 ～97μm 的人工表面可以防止某种藤壶类生物的附着，当表面粗糙度达到2 ～4 mm 时，表面上附着的藤壶类生物就会大大减少，而表面粗糙度为0.5 ～1 mm 的人工表面却易于被硅藻、纤毛虫、苔藓虫和贻贝附着［8］。所以防污是一个复杂的过程，不能简单归结于表面特殊的楯鳞肋条结构。鲨鱼表皮还分泌黏液，形成亲水低表面能表面，也会使海洋生物难以附着，再加上鲨鱼的游动会造成水流的冲刷作用及凹槽的导流作用，会冲刷除去附着不牢固的污损物。这充分体现出防污减阻协同作用机制，防污使鲨鱼表皮能够保持清洁，这样肋条减阻就能充分发挥减阻作用，使鲨鱼能够保持较高的移动速度，反过来较高的移动速度保证鲨鱼在运动过程中产生足够的水流冲击作用冲刷除去可能已附着的污损物，如此形成良性循环。

3.2 海豚表皮防污减阻机制分析

海豚的表面有一层十分光滑的粘膜，同时含有许多微小的绒毛，这些突起绒毛可以持续分泌主要成分是具有很好吸水性的粘液蛋白，这种蛋白能够在表面形成一层很薄的水膜，所以不但可以减小自身在水中的阻力，而且还能防止微生物粘附。

海豚表皮的减阻机理一般定义为柔性壁减阻机理，其减阻原因通常被解释为:粘弹性材料的柔性壁可以提高层流边界层的稳定性，从而推迟边界层的转捩。进一步的研究发现，粘弹性柔性壁对于湍流边界层也有减阻作用［9］。

防污机理是由于它们皮肤的表皮上有一层能够分泌类似水凝胶分泌物的不稳定绒毛，而分泌的水凝胶具有超吸水性，因此，它能够在海豚的表皮形成一层很薄的水膜，水膜在绒毛的摆动下自身也在一定范围内机械摇摆，这样微生物很难识别，也很难有效地粘附在皮肤上，从而使得皮肤具有很好的抗污损生物粘附的作用。受此启发，丹麦人牌集团(Hempel)2008年11月底推出了基于硅酮水凝胶技术的第3 代海生物不粘附涂料产品Hempasil X3，这种涂层原理很简单:超级吸水凝胶在船体表面形成一道聚合物网，使有机物感觉船体表面是流动的液体而非固体，从而不会粘附［10］。此涂料经航海试验证实，每艘船舶可因此每年减少高达150 万美元的船舶燃油费，同时，也能显著减少船舶的CO2排放量。但此类技术仍需要克服模拟海豚皮肤表面黏液层代谢更新功能和绒毛动态柔性脱附功能的难题。

3.3 荷叶表面防污减阻机制分析

20世纪70年代，德国波恩大学的植物研究所所长Barthlot［11］在观测植物叶片结构的时候，就发现了荷叶的自清洁特性。开始人们认为荷叶表面的微结构和蜡状物质使荷叶具有超疏水性能，从而使荷叶能保持自洁。当接触角接近0°时，该表面称为超亲水表面。同样的，当接触角大于90°时，该固体表面称为疏水表面，当接触角大于150°时，该表面称为超疏水表面。而在2002年，中科院院士江雷［12］领导的研究小组发现在荷叶表面的尺度为微米级的乳突结构上，还细密地分布着纳米结构。这种二级微纳米复合结构对荷叶表面具有超疏水性质有更加重要的作用。

近年来人们发现超疏水表面还能够减小流动阻力，也是二级微纳米结构起的作用。由于二级微纳米结构的存在，使物体浸入水下后不能完全浸湿，超疏水表面微细结构的空隙之中存在微气泡，从而形成了气液自由剪切界面，达到减小阻力的效果。

清华大学相关实验证实，在层流的情况下二级微纳米结构的超疏水表面流动减阻达到36.3%。在湍流条件下，超疏水表面也能够减阻，并且湍流中的流动减阻效应比层流中的流动减阻效应更加明显，在无序缠绕碳纳米管超疏水表面槽道中，流动减阻达到了53.3%。这是因为超疏水表面增大了槽道中的转捩雷诺数，使得流动更不容易进入湍流状态［13］。与肋条减阻相比，超疏水表面具有更好的减阻效果，但当流动中的压力超过超疏水表面结构间的空隙被浸润的临界压力时，流体就将浸润到结构间的空隙之中，或者浸泡时间过长微气泡也会相应减少，减阻效果就会消失。所以要运用于船舶防污减阻，必须解决微气泡逃逸这一技术难题。

3.4 贝壳表面防污减阻机制分析

鲨鱼和海豚所分泌的特殊的亲水性高分子粘液的组成(成份)仿生非常复杂，在工程实际中也难以实现粘液的持续供给。更重要的是，鲨鱼和海豚在海水中的行进速度较快，而海洋污损生物的附着量和船舶在港湾停靠的时间成正比，停靠的时间越长，附着的量就越大，船舶在航行时则附着较少。因此，以鲨鱼和海豚作为船体防污、减阻的仿生对象和工程实际有着一定的差别。而荷叶表面是依靠二级微纳米结构空隙中的微气泡减阻，能否使微气泡长时间不逃逸，仍有待于进一步研究。贝壳长时间生活在水中，且通常以相对静止的状态存在于海洋中，即使移动起来也很缓慢，符合船体表面主要在静态过程中发生污损的实际情况。因此，选择以贝壳为仿生目标，探讨其防污减阻性能以应用于船体表面是一个极具实用价值的研究问题。

贝壳的表面纹理也是一种肋条结垢，但与鲨鱼楯鳞肋条结构不同的是，它具有一定的弧度，类似于鸟类羽毛形成的人字形肋条结构。研究表面与传统肋条减阻相比，该种结构具有更好的减阻效果，最大减阻率可达16%［14］。

贝壳防污也是基于吸附点理论，以日本镜蛤为例:硅藻为最常见的小型污损生物之一，大小从几个微米到几十微米，大于日本镜蛤表面纹理上的小鳞片尺寸，因此硅藻不易粘附在日本镜蛤表面。由于以硅藻为主体的微生物黏膜的形成是大型污损生物附着的先决条件，日本镜蛤表面无硅藻附着，其他大型污损生物的幼体、游动孢子等在日本镜蛤表面就失去了附着基础。运用于船体，防污减阻协同作用机制就可以发挥更大的作用，防污使船壳能够保持清洁，这样肋条减阻就能充分发挥减阻作用，使船舶能够保持较高的移动速度，反过来较高的移动速度保证船舶在前进过程中产生足够的水流冲击作用冲刷除去可能已附着的污损物，形成一个良性的循环。

4 基于贝壳仿生的防污减阻协同技术及其实现

仿贝壳表面形貌的船舶绿色防污减阻协同作用技术完全依靠材料的表面结构，不存在环境与生态问题，也不给船舶带来附加设备或额外能量消耗及空间占用，其优良的物理性能将为探索船舶绿色防污减阻技术提供一条新的途径［8］。具体研究内容如图2所示。

1)选取合适的贝壳作为研究对象

海洋中生活着大量的贝类，不同种类的海洋贝类抗污损能力差别极大，有的贝类如生蚝、华贵栉孔扇贝表面极易被污损生物附着，有的贝类如加夫蛤、紫贻贝、日本镜蛤等，其外壳都非常洁净，没有海洋污损生物附着。

2)确定表面微结构的尺度效应与减阻特性

获得具有防污性能的贝壳表面微结构的尺度范围，在整个防污尺度范围内对贝壳表面微结构的减阻特性进行仿真分析，优选出具有减阻性能的尺度范围，获得贝壳表面微结构防污、减阻一体化的最佳尺度范围，建立具有防污减阻协同效应的表面结构特征参数体系，从理论上获得既防污又减阻的特征参数。

3)分析贝壳表面防污减阻协同作用机理

建立多尺度贝壳表面微结构与其防减阻特性的关系模型，基于附着点理论以及流体动力学理论，采用界面特性仿真分析，探讨贝壳表面微结构防污减阻协同作用机理。

4)仿生表面的设计、制备与实现方法

图2 贝壳防污减阻核心思想与技术路线Fig.2 Core ideas and technology roadmap of shell anti-fouling and drag reduction

以防污减阻协同效应贝壳表面形貌为仿生对象，基于表面结构特征参数体系设计具有防污减阻协同效应的表面微结构，分别采用生物复制成形技术，基于机械、激光、电加工的复合加工技术，以及表面织构流变涂料等3 种方法，制备准生物原型形貌的具有防污减阻协同效应的仿生表面。

5)实验验证

采用海洋污损生物附着检测实验平台，结合浅海挂板实验，检测防污减阻协同效应仿生表面的防污能力，研制材料表面阻力性能实验室快速测量实验装置，结合船模拖曳实验，对防污减阻协同作用仿生表面的减阻性能进行测试，并建立仿生表面防污减阻性能的实验室快速评价方法。

目前，采用生物复制法已能精确地复制出贝壳表面的微米级精细结构，验证了日本镜蛤和加夫蛤的防污效果［15］。同时将具有防污功能的日本镜蛤和加夫蛤的生长线纹理分别简化为三角形、矩形和半圆形3 种沟槽，对这3 种表面微结构的减阻性能进行了数值仿真分析，仿真结果表明，这2 种贝壳的3 种沟槽表面都具有减阻效应，但更接近贝壳纹理的复杂沟槽结构的数值模拟还有待于进一步的研究。更深入的防污减阻协同验证实验也将在相关理论研究和数值模拟的推动下逐步展开。

5 结 语

1)防污、减阻2 种技术分别使用时由于所考虑的重点不同，面临着不可调和的技术难题，将微结构仿生防污延伸到微结构的主动仿生减阻，利用仿生表面微结构同时实现防污和主动减阻，构建仿生防污、减阻的一体化技术，可望有效解决这一问题。

2)防污减阻协同作用可以增强彼此的作用，防污使船体表面能够保持清洁，减阻微结构就能充分发挥减阻作用，使船舶能够保持较高的移动速度，反过来较高的移动速度又使船舶在前进过程中产生的水流冲击作用冲刷除去可能已附着的污损物，形成一个良性的循环。

3)选取贝壳作为防污减阻协同作用研究对象，更符合船舶的实际工况，并探讨了其防污减阻协同作用技术路线。

［1］Review of maritime transport 2010［R］．United Nations Conference on Trade and Development，2010，12:1－5．

［2］严新平，袁成清，白秀琴，等．绿色船舶的摩擦学研究现状与进展［J］．摩擦学学报，2012，32(4):410－419．

YAN Xin-ping，YUAN Cheng-qing，BAI Xiu-qin，et al．Research status and advances of tribology of green ship［J］．Tribology，2012，32(4):410－419．

［3］王平．新型防污减阻软涂层的研究［D］．浙江:浙江大学，2012．

WANG Ping．Studies on a novel anti-fouling and dragreducing soft coating［D］．Zhejiang:Zhejiang University，2012．

［4］CHAMBERS L D，STOKES K R，WALSH F C，et al．Modern approaches to marine antifouling coatings［J］．Surface ＆ Coatings Technology，2006，201:3642－3652．

［5］Bharat Bhushan．Biomimetics:lessons from nature-an overview［J］．Phil．Trans．R．Soc．A，2009，367:1445－1486．

［6］C．Díaz，A．Min án，P．L．Schilardi，et al．Synergistic antimicrobial effect against early biofilm formation:micropatterned surface plus antibiotic treatment［J］．International Journal of Antimicrobial Agents 40(2012)221－226．

［7］SCARDINO A J，HARVEY E R．de Nys．Testing adhesion point theory:diatom adhesion on micro-textured polyimide biomimics［J］．Biofouling，22(2006):55－60．

［8］白秀琴，袁成清，严新平，等．基于贝壳表面形貌仿生的船舶绿色防污研究［J］．武汉理工大学学报，2011，33(1):75－78．

BAI Xiu-qin，YUAN Cheng-qing，YAN Xin-ping，et al．Research on green bionic ship antifouling techniques based on surface morphology of shell［J］．Journal of Wuhan University of Technology，2011，33(1):75－78．

［9］赵汉中．柔性壁对湍流边界层速度型的变形影响［J］．水动力学研究与进展，2002，17(4):78－80．

ZHAO Han-zhong．Influence of compliant wall on velocity profile deformation in a turbulent boundary layer［J］．Journal of Hydrodynamics，2002，17(4):78－80．

［10］魏欢．类似海豚表皮微结构的构建及其仿生涂层防污性能研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工程大学，2011．

WEI Huan．Study on the antifouling performance of the biomimetic coating with mico-structure like scarfskin of dolphin［D］．Harbin:Harbin Engineering University，2011．

［11］BARTHLOTT W，NEINHUIS C．Purity of the sacred lotus or escape from contamination inbiological surfaces［J］．Planta，1997，202(1):1－8．

［12］FENG L，LI S H，LI Y S，et al．Super-hydrophobic surfaces:from natural to artificial［J］．Advanced Materials，2002，14:1857－1860．

［13］卢思．微纳米结构超疏水表面制备和减阻机理研究［D］．北京:清华大学，2012．

LU Si．Fabrication and drag reduction mechanism of superhydrophobic surfaces with micro-nano structures［D］．Beijing:Tsinghua University，2012．

［14］CHEN H W，RAO F G，SHANG X P，et al．Biomimetic drag reduction study on herringbone riblets of bird feather［J］．Journal of Bionic Engineering，2013(10):341－349．

［15］BAI X Q，XIE G T，FAN H，et al．Study on biomimetic preparation of shell surface microstructure for ship antifouling［J］．Wear，2013(306):285－295．