《Biomimetics》：Fabrication and Drag Reduction Performance of Bionic Surfaces Featuring Staggered Shield Scale Structures
Xin Gu,
Pan Cao,
Xiuqin Bai and
Yifeng Fu
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本文通过激光蚀刻与PDMS（Polydimethylsiloxane）复制技术，成功制备了具有交错排列微沟槽结构的仿生鲨皮表面。沉降实验与CFD（Computational Fluid Dynamics）模拟结果表明，该表面实现了5.65%的减阻率，其核心机制在于微沟槽结构可有效调控近壁层流，通过形成低速流体层降低壁面速度梯度（减少摩擦阻力），并利用稳定回流区促进动量再分布。本研究为高性能减阻表面的设计与工程应用提供了理论与实验依据。
1.引言
在全球能源危机与气候变化的背景下，交通运输领域的节能减排已成为国际关注焦点。海运作为国际贸易的主要方式，承担了全球绝大部分贸易量，同时也消耗了大量能源。船舶航行中，用于克服船体表面与水之间摩擦阻力的燃油消耗占总阻力的60%至80%。高能耗不仅推高运营成本，也加剧了温室气体排放。研究表明，船舶表面摩擦阻力降低10%，可带来约3.75%的整体节能。因此，开发高效减阻技术对于降低船舶及水下航行器的能耗、提升运行性能、促进海运可持续发展具有重要现实意义。
在此背景下，仿生学为减阻技术提供了新思路。通过长期自然选择与进化，生物系统发展出了高度优化的结构与功能，为工程挑战的解决提供了丰富灵感。特别是鱼类等水生生物，为适应高速游动，进化出了低阻力的形态与表面结构。其中，鲨鱼皮肤的微观结构尤为突出：其表面并非完全光滑，而是覆盖着有序排列的微米级肋状盾鳞。研究表明，此类非光滑表面结构可显著降低湍流中的摩擦阻力，并具备一定的防污性能。这一发现挑战了“表面越光滑阻力越低”的传统观念，并激发了关于仿生减阻表面的广泛研究。
自然界中真实鲨鱼皮肤的盾鳞结构极为复杂，具有三维、多面、高曲率的几何特征，且随鲨鱼种类和身体部位而变化。这种复杂性赋予了鲨鱼皮肤优异的水动力性能，但也给工程制造带来了巨大挑战。因此，对真实鲨鱼盾鳞结构进行合理简化是必要的，将其抽象为交错排列的微沟槽阵列（如Sharklet微结构）。鉴于鲨鱼皮肤的核心减阻机制主要源于其定向微沟槽对近壁湍流结构的调控，而非源于复杂的几何细节，且从工程制造角度考虑，简化为规则的沟槽阵列可显著降低加工难度，提高结构精度与重复性，并便于后续的参数化研究和实际应用。因此，本研究采用的简化模型保留了鲨鱼皮肤的核心减阻机制，同时兼顾了工程可行性，为深入研究微观结构参数与减阻性能之间的构效关系奠定了基础。
2.实验部分
2.1.材料
PDMS（Sylgard 184，A、B组分）购自道康宁。尺寸为10 mm × 10 mm × 1 mm的方形单晶高纯硅片购自商业供应商。无水乙醇（≥99.7%）购自国药集团化学试剂有限公司。所有化学品均直接使用，无需进一步纯化。
2.2.仿生表面的制备
首先，使用SolidWorks 2024软件设计简化的盾鳞几何结构，单个沟槽宽度为20 μm，由五个肋条构成。根据先前研究表明交错排列比对齐排列具有更优减阻性能的研究，选择了交错排列模式。
随后，将硅片在乙醇中超声清洗10–15分钟并室温干燥。采用纳秒绿激光（λ = 532 nm）在硅片上制造仿生结构，参数如下：重复次数100次，扫描速度600 mm/s，电流1 A，频率80 kHz。激光源与样品表面距离保持在约150 mm。蚀刻后，对硅模板进行超声清洗并干燥。
对于PDMS复制，将预聚物与固化剂以10:1的比例混合，真空脱气，浇铸到硅模板上，并在80°C下固化2小时。固化后将PDMS小心脱模，获得最终的仿生表面样品。
2.3.沟槽结构的表面形貌分析
采用三维光学轮廓仪对激光蚀刻后的硅片模板表面和PDMS脱模后的非光滑表面样品进行三维扫描和测量。选择具有交错盾鳞排列特征的代表性区域进行扫描。使用配套分析软件获取表面轮廓高度、沟槽宽度、深度和排列间距等关键形态参数。
纳秒绿激光蚀刻后硅片模板的微观形貌显示，设计的简化盾鳞沟槽结构已清晰地转移到硅表面，呈现完整的交错排列。五个肋状沟槽结构具有良好的连续性和相对尖锐的边缘，表明所选激光参数组合可以有效在硅基底上加工预设的微结构。三维光学轮廓仪获得的模板表面三维形貌和截面轮廓分析显示，单个盾鳞结构单元内的平均沟槽宽度为（20.5 ± 1.2）μm，与设计值20 μm非常接近；平均沟槽深度为（18.3 ± 0.8）μm。相邻结构单元之间的交错间距测量为（65.4 ± 2.1）μm。轮廓曲线进一步证实沟槽具有连续的起伏形态，沟底与肋顶之间的过渡相对平滑，无明显尖锐突起或断裂，这有利于后续的PDMS浇铸和脱模。
基于上述硅片模板，通过PDMS复制转移工艺，成功制备了具有正向仿生盾鳞结构的弹性体表面。PDMS非光滑表面样品脱模后的显微图像显示，PDMS表面忠实地复制了模板的交错盾鳞阵列，结构连续，无可见缺陷或残留物。与刚性硅模板相比，PDMS样品上的沟槽结构边缘因材料弹性而略显圆润。然而，包括沟槽宽度、排列周期性和交错图案在内的整体形态特征得以良好保持，证明了模板复制工艺的可行性和结构保真度。
总之，形貌分析结果表明，本研究采用的激光蚀刻工艺可以精确制造设计的仿生盾鳞微沟槽模板。通过PDMS模板复制方法，成功获得了结构完整的仿生非光滑表面样品，为后续的功能性能测试奠定了可靠的表面结构基础。
2.4.减阻实验设计
为定量评估仿生鲨鱼皮肤盾鳞结构的减阻性能，本研究设计并进行了基于沉降法的对比实验。选择两种尺寸均为10 mm × 10 mm × 0.1 mm的样品：一种是光滑表面的PDMS样品（对照组），另一种是蚀刻有仿生交错鲨鱼皮肤盾鳞结构的PDMS样品（实验组）。实验在容积为500 mL、高度为40 cm的透明玻璃圆筒中进行，筒内充满去离子水以提供稳定的流体环境。
实验过程中，将每个样品在距水面相同高度处垂直夹持，然后释放，使其在重力作用下沿圆筒中心轴自由沉降。使用高速相机（帧率：500 fps）记录从释放到样品到达筒底的整个过程。通过图像处理软件准确提取位移-时间数据。每种样品进行10次独立实验重复以最小化随机误差。
通过对沉降过程的数据分析，获得了样品的运动学参数。光滑PDMS样品的平均沉降时间为2.72秒，对应的平均沉降速度为0.1471 m/s，平均加速度为0.1081 m/s2。相比之下，具有仿生微结构的PDMS样品显示出减少的平均沉降时间2.57秒，相应的平均速度和加速度分别增加至0.1556 m/s和0.1212 m/s2。
基于物体在粘性流体中沉降的受力分析，在样品几何尺寸、材料密度和流体性质保持一致的情况下，沉降加速度的差异可直接归因于表面结构引起的流体阻力变化。因此，减阻率（DR）可使用以下公式估算：DR = (tsmooth- tbionic) / tsmooth× 100%。
代入上述平均加速度数据，计算得出仿生表面在实验条件下实现了约5.65%的减阻。通过严格控制样品的初始状态（释放高度、方向）、流体环境（温度、纯度）和数据采集方法，该实验方法有效保证了对比测试的可比性和可重复性。沉降时间和运动学参数的量化为直观比较不同表面的阻力特性提供了一个简洁有效的实验场景，初步验证了所制备的仿生鲨鱼皮肤微结构在低速水流中具有显著的减阻潜力。随后进行了计算流体动力学（CFD）模拟，以进一步深入分析其减阻机理。
3.数值模拟
3.1.几何模型构建
为进一步研究仿生鲨鱼皮肤盾鳞尺结构的减阻机制并揭示近壁流场的微观细节，本章采用计算流体动力学（CFD）对样品在水中的沉降过程进行三维数值模拟。模拟在商业软件平台ANSYS Fluent 2022 R1上进行。为准确表征仿生表面的微结构特征，同时控制计算规模，在数值模拟中建立了一个包含周期性结构单元的计算模型。
基于设计的盾鳞尺结构交错排列及其实验形态测量结果，在SolidWorks中以等比例创建了简化的三维几何模型。模型的核心是代表交错阵列基本单元的盾鳞尺结构。其尺寸严格对应于实验测量值：沟槽宽度20.5 μm，深度18.3 μm，单元周期65.4 μm。模型完全再现了五个肋状沟槽的连续起伏形态，以及由交错排列形成的空间拓扑结构。为模拟在无限延伸的仿生表面上的流动特性，在计算域设置中应用了周期性边界条件，在流向（x方向）和展向（y方向）上周期性扩展基本单元。
3.2.模拟模型网格划分
高质量的网格生成对于确保CFD模拟的精度和收敛性至关重要。鉴于仿生表面的复杂几何形状和微观特征，本研究采用了多区域、多级细化的网格划分策略，并通过网格无关性验证确定了最优网格方案。
为准确捕捉近壁边界层内的速度梯度，在仿生表面上应用了多层棱柱网格。靠近仿生壁面的网格紧密贴合结构轮廓，过渡平滑。在层流模型框架内，为确保边界层速度分布的计算精度，第一层网格厚度设置为1 μm。计算表明，在所有模拟流动条件下（0.1–0.2 m/s），壁面y+值始终低于1，具体范围在0.1至0.3之间（取决于流速）。此分辨率足以准确解析近壁流动特性，并满足层流边界层求解的网格要求。
在此基础上，对包含仿生结构基本单元的计算域应用非结构四面体网格，以灵活贴合复杂的曲面几何形状。对单个鲨鱼皮肤沟槽结构的详细表面网格离散化显示，网格尺寸经过优化以平衡计算精度与计算成本。整体计算域网格在近壁区域呈现高度细化，逐渐向核心流动区域过渡到较粗的网格，形成合理的网格梯度分布。该方法在确保计算精度的同时，有效控制了网格单元总数，总计约350万个单元。
3.3.模拟模型计算域设置
计算域配置为矩形棱柱，仿生结构表面作为底壁。域高度（法向）设置得远大于边界层发展厚度，以消除上边界对近壁流动的干扰。流向（x方向）和展向（y方向）的长度设置等于一个结构单元的周期尺寸，两侧应用周期性边界条件以模拟无限大平板上的充分发展流动。
边界条件设置是确保数值模拟结果可靠性的关键因素。为保证模拟结果与实验条件的可比性，本研究详细定义了计算域的边界。计算域的上壁是光滑表面，下壁是具有交错盾鳞结构的仿生表面，两者均设置为无滑移壁面边界条件，以准确模拟固体壁面对流体的约束作用。左右两个侧面被赋予对称边界条件，以模拟结构在展向上的无限周期性延伸。入口边界配置为速度入口，速度范围为0.1–0.2 m/s，覆盖了实验中的各种流速条件，并允许研究减阻性能对流速的依赖性。出口边界设置为压力出口，入口和出口之间的压力梯度驱动流体流动，以模拟实验中观察到的沉降过程。此边界配置全面考虑了实验实用性、结构周期性和计算稳定性，为后续流场分析和减阻机理研究奠定了坚实基础。
为建立稳定准确的数值模型，本研究对计算域的求解参数进行了系统配置。基于雷诺数分析（宏观Re ≈ 1000–2000，微观Re = 2–13），流动属于层流到转捩状态；因此，采用层流模型进行数值模拟。流体介质设置为水，密度为998.2 kg/m3，动力粘度为1.003 × 10?3Pa·s。计算域内的流速定义为0.1–0.2 m/s，以对应沉降试验的实验条件。采用基于压力的分离求解器，压力-速度耦合使用SIMPLEC算法处理以提高收敛效率。空间离散采用二阶迎风格式以确保计算精度。收敛准则设置为所有方程的残差低于1 × 10?4，同时监测壁面剪切应力等关键参数以确保稳定性。最大迭代次数设置为1000次以保证计算完全收敛。
3.4.结果对比分析
为系统验证并深入理解仿生鲨鱼皮肤盾鳞结构的减阻性能，本节对实验结果和数值模拟结果进行了综合比较和机理分析。实验测量辅以参数化CFD研究，探究了流速和边界条件对减阻效果的影响。在无滑移边界条件下的模拟结果与实验观察到的减阻趋势吻合良好。在特征速度0.2 m/s下，模拟减阻率达到5.08%，与通过沉降时间测量得到的实验值5.65%非常接近。这种一致性，相对偏差仅为10%，不仅验证了实验设置的准确性，也证实了CFD模型在捕捉与仿生表面相关的基本流动物理现象方面的可靠性。此外，模拟揭示了在无滑移条件下减阻与流速之间存在明显的非单调关系。减阻率最初随速度增加而增加，随后下降，表明微沟槽结构的有效性对流动条件高度敏感，可能是由于边界层发展和沟槽内涡流相互作用机制的变化。
一个特别有启发性的发现来自于比较无滑移和自由滑移边界条件。虽然无滑移模拟始终显示出正减阻，但自由滑移情况在所有测试速度下均产生负值。这种鲜明对比突显了壁面边界条件的关键作用，并证实减阻机制从根本上与近壁流动动力学的改变有关——特别是通过微沟槽内稳定的低速流体层的发展和有效减少直接流体-固体相互作用的回流区的形成。这支持了该结构主要通过摩擦阻力调节而非通过大规模压力重新分布起作用的假设。模拟中阻力分量的进一步分解阐明了层流状态下的潜在物理机制。在测试的低速条件下，总阻力的减少主要归因于摩擦阻力的降低，这约占整体减阻的70-85%。这种减少源于沟槽内锚定的低速流体层所引起的近壁速度梯度降低。压力阻力虽然也受表面拓扑结构影响，但起次要作用。这与观察到的流场现象一致，在流场中，沟槽促进了稳定的回流模式，减少了壁面法向方向的动量交换，从而降低了剪切应力。
实验与数值结果之间的微小差异可归因于几个因素。首先，实验释放过程中不可避免的扰动（如轻微旋转运动或离轴沉降）可能引入未在理想化CFD模型中捕获的变异性。其次，具有有限尺寸（10 mm × 10 mm）的物理样品表现出未在CFD模型中完全表示的三维边缘效应，CFD模型假设了无限的周期性延伸。第三，PDMS材料固有的柔韧性（弹性模量 ≈ 1.8 MPa）可能允许微沟槽在流体动力载荷下发生轻微变形，导致有效几何形状与模拟中使用的刚性、完美定义的表面之间存在偏差。第四，实际制造的表面形貌与理想化数值几何形状之间的微小变化也可能导致观察到的相对偏差。在与沉降实验对应的平均流速范围0.1–0.2 m/s下，实验测得的减阻率为5.65%，而基于总摩擦阻力的模拟获得的最大减阻率为5.08%。考虑到上述因素的综合影响，此偏差在可接受范围内。值得注意的是，模拟结果显示出减阻率随流速增加的趋势，这与实验中观察到的减阻效果随流速变化的物理行为一致，进一步证实了模拟结果的可靠性。实验与模拟在减阻趋势上的良好一致性验证了所观察现象的稳健性。
为阐明流动状态，本研究计算了雷诺数。需要注意的是，雷诺数计算涉及两个不同的特征长度尺度：基于宏观样品特征长度，取样品长度10 mm为特征长度，实验流速范围0.1–0.2 m/s对应的雷诺数约为1000–2000，对应层流到转捩流态，与本研究采用的层流模型和实验条件一致；基于微观结构特征长度，取沟槽宽度20 μm或周期65 μm为特征长度，相同流速下对应的雷诺数为2–13，完全处于层流状态。此尺度的雷诺数反映了微结构内部的局部流动特征，与宏观流动雷诺数相差数个数量级。
流场可视化为减阻机制提供了直接证据。交错盾鳞尺结构的计算速度云图及相应的近壁流场速度分布清晰显示，鳞峰处出现较高的流体速度和较薄的边界层，而在沟槽内形成了明显的低速区。此配置建立了有序的速度梯度，沟槽内的低速流体充当“锚定”的缓冲层。这有效降低了近壁速度梯度，减少了摩擦阻力。沟槽内的流线呈现出稳定的回流模式，这有助于流动动量的再分布，并进一步减少了能量耗散。
交错盾鳞尺结构计算壁面剪切应力云图与光滑壁面的对比显示，在光滑表面上，剪切应力分布相对均匀并保持在较高水平。相反，在仿生表面上，肋条区域显示出显著更低的剪切应力值，在云图中呈现为更深的蓝色区域。这表明局部摩擦阻力大幅降低。这种降低归因于沟槽结构诱导的低速流体层，有效降低了近壁速度梯度，从而降低了局部剪切应力。由于这些低剪切区域构成了仿生表面的主要部分，它们的累积贡献导致了整体摩擦阻力的显著降低，从而实现预期的减阻性能。此外，交错排列确保了这些低剪切区域的空间连续性，进一步提高了整体减阻效率。
基于对实验结果和流场特征的综合分析，仿生鲨鱼皮肤盾鳞结构的减阻机制源于其独特的表面拓扑结构对近
