硬质齿状结构附着在柔软的基底上的3D打印鲨鱼皮照片来源：The Journal of Experimental Biology

来自北京航空航天大学和哈佛大学研究团队利用复合材料3D打印技术，以灰鲭鲨为模本制作出了首个3D打印人造鲨鱼皮，并揭示了微观齿状结构和鲨鱼皮自身柔性是如何提高鲨鱼动态游动效率。该项研究于5月作为封面文章发表在The Journal of Experimental Biology 杂志上，Inside JEB特别撰文。Nature将其作为“研究亮点”予以特别报道，标题为：“依靠人造鲨鱼皮快速游动”。Science,英国广播电视台(BBC), 英国《每日电讯》，美国《探索》，以及哈佛大学等对该研究进行了详细报道。

当鲨鱼在水中优雅地掠过时，它们的皮看起来平滑且有光泽。但是当我们近距离去观察鲨鱼皮时，却发现它的表面实际上散布着数以百万计的、微小的、相互重叠且具有三维结构的被称为“小齿”的鳞屑，这些小齿可以影响鲨 鱼身体表面的水流流动模式，从而帮助鲨鱼游动。这些令人着迷的结构多年以来一直激发着仿生学领域科学家的灵感并引导他们的仿生设计。研究人员尝试去复制鲨 鱼皮以减小物理表面的阻力，这种尝试被应用到赛车，船舶，机翼以及风车叶片等。这些过去的研究中仿生鲨鱼皮通常是被固定在刚性的结构上，鲨鱼皮并不像在其 游动过程中身体产生的弯曲。研究团队发现，模仿鲨鱼游动的动态物理条件下，三维鳞片结构对水流有着特殊的影响，减阻并不是鳞片影响鲨鱼高效巡游的唯一因 素。

      为了突破过去研究的局限，来自北航和哈佛大学的科学家从一只灰鲭鲨的身上取得了一块1毫米长的皮肤样本，并利用纳米CT技术对其进行了扫描。小齿的总长仅为150微 米，而一小块鲨鱼皮上相同的小齿需要被复制数千个。扫描结果帮助研究团队对单个小齿进行了极为精细的三维建模。此时，研究团队遇到了真正棘手的问题——开 发出一种工艺方法以精确地在一块柔软的人造基质上复制出数千个这样的小齿。“在对比研究过数种加工手段之后，我们认为在柔软基质上嵌入硬质小齿的唯一方式 就是3D打印”，来自北航的文力教授说，“我们必须探索出使用多种材料打印出这些小齿的方法，这些小齿需要被嵌入基质中并且相互重叠，这是最大的挑战。”文力教授曾是哈佛大学的研究人员，也是这篇论文的第一作者，第一通讯作者。

人造鲨鱼皮薄膜的扫描电镜图像展示了鲨鱼皮表面的鳞屑。图片来源：The Journal of Experimental Biology

经过了大约一年的反复尝试，科研人员最终得到了令他们满意的结果。利用复合多材料3D打印技术，成千上万个彼此交错重叠的硬质三维‘鳞片’被插入到一个光滑、柔性的薄膜材料中，鳞片与薄膜之间相互牢固结合。研究团队随后将人造鲨鱼皮覆在了一个实验装置上并对其进行了水下实验。研究组将双面键合有3D打印鲨鱼皮的一块柔性翼放入速度可控的循环水槽中，并由一个特殊的机器人装置固定并来回摆动并且形成鱼类波动运动。研究结果发现，相比光滑的表面，键合有3D打印鲨鱼皮的表面游动速度提高了6.6%，而游动能量可节省5.9%。Nature在评论该研究时也表示：“这是首次研究揭示动态运动条件下的鲨鱼皮可以在动态运动时节省能量。” 哈佛大学的George Lauder教授在接受BBC的采访时说道，“考虑到鲨鱼一生保持游动且从不停止，那么这些小齿产生的能量节省的积分效应显然是巨大的。”

通过记录下实验装置运动过程中水流的高速影像，研究团队观察到这些小齿可以产生比光滑表面更加强烈的前缘涡旋——这是一种由柔性翼运动产生的低压区域。在文力教授和Lauder教 授看来，该现象表明这些小齿除了能够减小阻力，还能够提高鱼类游动过程中的推进力。“前缘涡旋能够产生有助于推进的吸力，从而使得鲨鱼产生更快的游动速 度”。目前研究人员还在继续探索，通过对小齿进行微调，改变小齿形状和排布方式去进一步寻找能够决定鲨鱼皮产生如此显著效果的关键因素。

文力副教授简介：

研究领域：软体机器人，仿生机器人，生物力学，仿生加工与制造

科研成果方面，已在国内外期刊和会议发表论文30 余篇，其中SCI检索论文16 篇，SCI 论文总影响因子超过30，被引用150余次。以第一作者所取得的研究结果被 Nature 评为十大亮点论文(排名第一)，研究成果被Science，英国广播公司 (BBC)，Discover Magazine, Nature World News, Harvard University Wyss Institute, Popular mechanics, The Telegraph, Physics Org 等国际著名媒体报道。在国际比较生物力学著名杂志Journal of Experimental Biology (封面文章), Integrative and Comparative Biology，仿生学杂志Bioinspiration& Biomimetics，工程学杂志IEEE Transactions on Industrial Electronics, IEEE Transactions on Mechatronics 等多个国际重要期刊上发表研究论文。会议论文获得第21 届国际海洋与极地会议大会最佳学生论文奖(2010 年)，期刊论文被推荐为Science China Technological Science 热点文章 (2012 年共12 篇)。申请人受邀于2014年在国际机器人与自动化会议 (ICRA) 上对仿生机器鱼与流动控制做综述性报告。在国际著名出版社CRC上受邀请撰写专著”Smart Materials for Soft Robotics”。目前作为参加国家自然科学基金(重点项目)、国家自然科学基金(面上项目)、国家自然科学基金青年项目。

（本文转载自北航官网）

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