仿生学的典范——鲨鱼皮肤形貌力学解析

1、引言

仿生学里有两大生物特别受欢迎，鲨鱼的皮肤和壁虎的腿。鲨鱼在大海中游泳，其皮肤形貌可以最大程度降低海水的阻力，而壁虎的腿毛结构则可以让壁虎获得巨大的抓力，能够倒挂天花板上。大自然的生物确实神奇，而我们人类对此的认识依然还在初级阶段。

当然，仿生学不仅仅局限于鲨鱼和壁虎，基于蝙蝠的超声定位就是一个非常成熟的仿生学实例。此外，古代建筑的高塔也是一个典型的仿生学实例，模仿竹子结构获得较强抗风性能。

老罗在经历了一段低谷后，又重新开始了创业。这次他带来了叫做“sharklet”的技术，中文叫做“鲨纹”，这实际上是一种纳米技术，通过改变纳米级的微观形貌，来赋予材料特定的新功能，老罗带来的这款Shatklet技术就号称可以有效抑菌。本文将带领大家一起认识一下鲨鱼皮肤，探讨鲨鱼皮肤结减阻和抑菌的力学机理。

2、鲨鱼皮肤形貌特征

从外形上看，鲨鱼皮肤似乎比较光滑，但是实际上，用放大镜或者显微镜观察，会发现鲨鱼皮肤呈齿状结构，如下图。这种微小的齿状结构，如同鱼鳞一样，覆盖在鲨鱼的表面。

单个的鲨鱼齿状皮肤如下图，当然不同的鲨鱼类型，具体的齿也会略有不同。这种齿状皮肤拥有一定的硬度，这一小片一小片的齿组合起来，就像软猬甲一样，保护着鲨鱼的身体。

3、鲨鱼潜游最小阻力机理

鱼类在水中潜行，阻力是其生存能力的一个重要因素。同样的身体机能条件下，阻力越大，就表示其潜游的速度越小。大自然让鱼类进化出了一种比较合理的体型——流线型。科学家们通过实验，发现这种流线型的阻力最小，如下图，右下图阻力仅为5%。

流体的阻力公式，低速下通常用下式表示。其中，ρ是密度，S是迎面面积，v是流速，C是形状系数。在其他条件不变的前提下，不同的形状阻力也会不一样。因此，鲨鱼进化出了最佳的身体外形，尽量地降低阻力。

实际上，不仅仅是鲨鱼，绝大部分鱼类都进化出了符合其生理机能的最佳身体外形，以降低水流的阻力。不过，鲨鱼的进化似乎更进一步。如前所述，鲨鱼皮肤并不是一个光滑的面，而是存在着大量的微小的齿状机构，这种齿状结构能够更加降低水流的阻力。

如上图所示，水流流过每一个齿状皮肤，实际上就是流过每一个具有流线型的小结构。齿状的突起顺着水流的方向，具有导流的作用，能够尽量降低湍流的产生。这样，鲨鱼在游动的过程中，水流能够尽量地贴着鲨鱼皮肤，而不会过早脱离，形成湍流（从而会增加水流的阻力）。

在阻力方程里面，光滑表面与粗糙表面，就是阻力形状系数C的差异，高尔夫球就是一个典型实例。高尔夫球表面并不是光滑的，而是一个粗糙的表面。通过阻力系数对比发现，前期（雷诺数在3.3e3以下，相对低速）光滑表面的阻力系数要比粗糙表面大许多。随着速度的提高，雷诺数增加，此时粗糙表面的阻力系数大于光滑表面。

通常的速度下，比如高尔夫球的速度，比如鲨鱼的速度，都在一个相对较低的范围内，也就是说，通常的速度都在阻力系数图的前段部分。此部分内，粗糙表面阻力系数要比光滑表面阻力系数小。具体机理如上图，光滑表面流体过早分离，前后的压差就较大。而粗糙的表面可以延缓流体的分离，降低压差。因此，粗糙表面阻力较小。

除了高尔夫球的应用，鲨鱼皮肤已经应用于游泳衣了。在鲨皮泳衣被允许参赛的十年内（2000年-2010年），借助于鲨皮泳衣，很多运动员打破了世界纪录。鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶（下图）可以大大减少水流的摩擦力约3%。

4、鲨鱼皮肤抑菌作用机理

纳尺度下，材料本身的力学行为与宏观状态并不一致。物体间的相互作用是通过物体表面的接触进行的，那么通过改善物体的表面，就可以在一定程度上控制物体间的相互作用。比如，我们较为熟悉的疏水、亲水特性，就是通过改变物体表面形态而实现的。

对于抑菌性能来讲，其作用对象是生物体，表面的相互作用除了形貌有关外，还有湿润程度、摩擦力、生物膜有关。表面形貌的不同，是如何抑菌的呢？2008年，Schumacher等在Langmuir期刊发表了相关论文，这应该是领域内较早的论文，目前引用117次（虽然117次引用不少，但是如果是非常有用的开创性工作，十一年来的引用量就有点少了。从侧面表明，这个研究不火。）。检索发现，自称sharklet技术即源于此篇论文。Schumacher建立的下图模型，方块为表面突起，圆形代表微生物。通过改变下面两个方块的长度和距离，来实现抑菌的可能。文中提出了一种假设：我们假设由表面形貌的变化引起的纳米力梯度，将在微生物的初始接触过程中产生诱导应力。这个诱导应力让微生物无法附着在表面。

We hypothesized that nanoforce gradients caused by variations in topographical feature geometry will induce stress gradients within the lateral plane of the membrane (plasma membrane) of a settling cell or microorganism during initial contact.

实际上，这个所谓的诱导力，是接触过程中接触面积大小不一样导致的。如上图，微生物较大的情况下，短边接触面小，长边接触面大，从而两侧受力不等，微生物就会发生偏移。因此，这个 表面形貌就需要有针对的设计长短了。

通过不同组合的表面形貌对比，发现光滑形貌和等长度形貌，附着微生物较多。而最佳的形貌设计为SK，其微生物密度平均值为160。

然而，这篇被称之为sharklet鼻祖的论文，有个致命的缺点。文中采用的是海藻孢子作为实验对象，以此确定了微观的表面形貌特征。从其作用机理上看，其形貌特征的具体尺寸与微生物的大小密切相关。即，不同的微生物，搭配的抑菌的微观形貌特征是不一样的。我们知道，细菌种类繁多，其尺寸在0.5-5微米之间，跨度非常大。所以，特定的形貌只能对特定尺寸的细菌有抑制作用。现代工厂化生产出来的产品，我想起微观形貌特征应该只有一个，所以应该不能抑制全部细菌。当然了，可以根据常见细菌尺寸设计。

另外，实验针对的是海藻的附着，存在水环境中，就如同鲨鱼一样，水流始终在冲刷这物体表面。鲨鱼皮微生物附着物少的主要原因，就在于水流的冲刷，再结合其微结构的小突起，让水流微弱改变流向，从不同的角度冲刷。特别是在齿的下方，容易形成湍流，从而将附着物冲刷干净。正是这个原因，目前的微观表面形态，主要都是处于一个流场内，比如导尿管的抑菌等等。在日常生活中，缺少相对高速的流体流动，这种微观表面形态的抑菌效果，有待商榷。

5、总结

大自然进化出了种种神奇的生物，具备了神奇功能的结构。向大自然学习，一直也是科研工作者的一个方向。鲨鱼皮肤的这种齿状结构，可以有效缓解尾部水流的分离，从而降低前后水压差异，降低水流阻力。此外，齿状结构尾部的湍流可以冲刷掉附着的海洋微生物，保持干净。实际上，这也是鲨鱼皮肤能够抑菌的主要原因。人造的仿鲨鱼皮肤结构，由于缺少相对的流体流速，其抑菌效果值得商榷。