仿生摩擦学研究及发展
仿生材料学的发展及应用
仿生材料学的发展及应用近年来，随着科技的不断发展和进步，仿生学在人们的生活中开始发挥越来越重要的作用。
而仿生材料学作为仿生学的重要分支之一，也受到了越来越多的关注和研究。
本文将从发展历程、应用现状、未来前景等方面探讨仿生材料学的发展和应用。
一、发展历程仿生材料学，简单地说就是模仿动植物的结构、性质、功能等进行材料设计和制备。
其发展历程可追溯到古代，早在汉代就有“仿石成木”的技术。
但是由于历史和技术条件的限制，长期以来仿生材料学只能停留在经验和手工制作阶段。
随着现代科技的发展，利用先进的分析手段和制造技术，仿生材料学逐渐成为一个独立的学科，并得到了长足的发展。
在20世纪90年代，仿生学成为国际生物技术领域发展的一个重要热点，科学家们开始系统探究生物界的多样性，并结合生物学、物理学、数学、机械工程学等学科知识开展材料设计和制备。
目前，仿生材料学已经从简单形态的仿生学实验开始发展，逐步形成生物学、医学、机器人等领域的交叉应用。
二、应用现状1、生物医学领域仿生材料学广泛应用于生物医学领域，以期开发出一些可用于临床治疗的仿生材料。
例如，在组织工程领域，利用仿生材料设计可以制备生物功能材料，支持和促进细胞生长和分化，加速组织修复和再生；在口腔医学领域，通过仿生学设计口腔义齿和口腔修复用材料，提高口腔修复效果和病人生活质量；在骨科领域，仿生材料可以制备出类似骨骼结构的金属、聚合物、陶瓷等材料，能够更好地帮助植入物与肌骨组织契合，促进骨组织再生。
2、机器人领域仿生材料学也非常适用于机器人领域，因为它可以使用仿生学原理来设计和制造机器人，赋予其类似生物的结构和功能。
例如，充分考虑鸟类的飞行机理，利用仿生材料在制造创新型飞行器方面有了长足进展。
同样，利用仿生学的原理，设计机器人达到人体运动和功能的模仿，例如能够模拟人体骨骼、肌肉和关节运动的仿生机器人。
三、未来前景当前，仿生材料学还存在很多问题和挑战，例如仿生材料的制备成本、效率以及仿生材料与人体完美的吻合度，是解决目前仿生材料学发展问题的重要方向。
摩擦学的现状与前沿
摩擦学的现状与前沿——机自09-8班姚安 03091131摩擦学作为一门实践性很强的技术基础科学，它的形成和发展与社会生产要求和科学技术的进步密切相关。
它作为一门独立的学科受到世界各国普遍重视，摩擦学理论与应用研究进入了一个新的时期。
1 研究现状与发展趋势现代摩擦学研究的主要特征可以归纳为：(1)在以往分学科研究的基础上，形成了一支掌握机械、材料和化学等相关知识的专业研究队伍，有利于对摩擦学现象进行多学科综合研究，推动了摩擦学机理研究的深入发展。
(2)由于摩擦学专业教育的发展和知识普及，以及摩擦学本身具有的实践性很强的特点，当今工业界有大量的工程科技人员结合工程实际开展研究，促使摩擦学应用研究取得巨大的经济效益。
(3)随着理论与应用的不断完善，摩擦学研究模式开始从以分析摩擦学现象为主逐步向着分析与控制相结合，甚至以控制性能为目标的研究模式发展。
此外，摩擦学研究工作从以往的主要面向设备维修和改造逐步进入机械产品的创新设计领域。
（4）交叉学科的发展。
摩擦学作为一门技术基础学科往往与其他学科相互交叉渗透从而形成新的研究领域，这是摩擦学发展的显著特点。
主要的交叉学科如下:摩擦化学、生物摩擦学、生态摩擦学及微机械学等。
当今，相关科学技术特别是计算机科学、材料科学和纳米科技的发展对摩擦学研究起着重要的推动作用，主要表现在以下方面。
1.1 流体润滑理论以数值解为基础的弹性流体动力润滑(简称弹流润滑)理论的建立是润滑理论的重大发展。
现代计算机科学和数值分析技术的迅猛发展，对于许多复杂的摩擦学现象都可能进行精确的定量计算目前薄膜润滑研究尚处于起步阶段，在理论和应用上都将成为今后润滑研究的新领域。
1.2 材料磨损与表面处理技术现代材料磨损研究的领域已从以金属材料为主体扩展到非金属材料包括陶瓷、聚合物及复合材料的研究。
表面处理技术或称表面改性是近20年来摩擦学研究中发展最为迅速的领域之一。
它利用各种物理、化学或机械的方法使材料表面层获得特殊的成分、组织结构和性能，以适应综合性能的要求。
仿生学的前沿研究领域
仿生学的前沿研究领域引言仿生学是一门研究生物系统以及与之相关技术的跨学科科学领域。
随着科学技术的不断发展，仿生学的前沿研究领域也在不断涌现。
本文将介绍几个当前热门的仿生学研究领域，并提供相关案例和发展趋势。
1. 生物机器人学生物机器人学是仿生学的一项重要领域，它从生物体的神经系统、肌肉结构以及运动机制中汲取灵感，设计和构造能模拟生物体运动和行为的机器人。
生物机器人可以应用于医疗、救援、探索等领域，具有广阔的应用前景。
案例：柔软机器人，模拟人类肌肉和骨骼结构，具备高度灵活性和适应性，可应用于手术机器人、康复辅助设备等领域。
2. 生物材料生物材料是由仿生学研究中提取的生物特性和材料科学相结合的一项重要研究领域。
通过研究生物体的特性，可以设计新型的材料，具备生物相容性、自愈能力、自组装等特性。
案例：仿叶片纳米结构的材料，具备自清洁、抗菌、抗腐蚀等特性，可应用于建筑材料、医疗器械等领域。
3. 生物传感器生物传感器是将生物体的感知机制应用于传感器技术中的一项研究领域。
通过仿生的设计原理，可以制造出具备高灵敏度、高选择性和快速响应的传感器，用于检测环境中的化学、生物变化等。
案例：鼠类嗅觉传感器，模拟鼠类嗅觉系统，可以用于检测环境中的有害气体、爆炸品和病原体等。
4. 生物计算生物计算是利用生物体内的生物分子、细胞等作为计算元件来进行计算和信息处理的一项前沿研究领域。
通过仿生的方法，可以设计出具备高度并行性、低功耗和自我修复能力的新型计算系统。
案例：DNA计算，利用DNA分子的结构和自组装能力，可以进行大规模并行计算和信息存储。
结论以上介绍了仿生学的几个前沿研究领域，包括生物机器人学、生物材料、生物传感器和生物计算。
随着技术的不断进步和创新，这些领域将会取得更多的突破和应用。
仿生学的研究将为人类社会带来更多的创新和发展机遇。
绿色船舶的摩擦学研究现状与进展_严新平
DOI:10.16078/j.tribology.2012.04.016第32卷第4期摩擦学学报Vol32No4 2012年7月Tribology July，2012绿色船舶的摩擦学研究现状与进展严新平1，2*，袁成清1，2，白秀琴1，2，徐立1，2，孙玉伟1，2，孙星1，2（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．船舶动力工程技术交通行业重点实验室，湖北武汉430063）摘要：绿色船舶是船舶领域1个重要的发展方向，摩擦学理论及其技术在以新能源应用为特征的绿色船舶发展过程中将起到重要作用。
导致绿色船舶在运行过程中功率损失和能耗增加的原因主要涉及到内摩擦和外摩擦两方面的问题，前者主要包括船舶主机、辅机与轴系等机械装置内各摩擦副之间产生的摩擦，而后者主要存在于与空气和水接触部分，包括甲板上层建筑、船体壳板、螺旋桨、舵与艉轴外支架等。
本文在解析绿色船舶与摩擦学之间关联的基础上，以系统的观点从三方面就相关摩擦学问题进行了详细论述，重点论述了风能和太阳能在船舶上应用的摩擦学问题、船舶减阻的摩擦学研究以及船舶能效提升涉及的摩擦学问题。
最后，结合绿色船舶摩擦学的现有研究进展及发展趋势，对摩擦学相关研究工作在船舶行业的应用前景进行了展望．关键词：绿色船舶；摩擦学；清洁能源；船舶减阻；能效提升中图分类号：U662文献标志码：A文章编号：1004－0595（2012）04－0410－11 Research Status and Advances of Tribology of Green ShipYAN Xin－ping1，2*，YUAN Cheng－qing1，2，BAI Xiu－qin1，2，XU Li1，2，SUN Yu－wei1，2，SUN Xing1，2（1．Reliability Engineering Institute，School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan，430063，China2．Key Laboratory of Marine Power Engineering＆Technology（Ministry of Communications），Wuhan University of Technology，Wuhan430063，China）Abstract：Utilizing the new energy technology and seeking for high energy efficiency，green ship is a significant developmentfor the shipping industry in the future，and the tribology will play an important role during this developing process．It is theproblems of internal friction and external friction that actually lead to the ship's power loss and energy consumption increase，the former includes the friction problems existing in the rubbing pairs of main engine，auxiliary engine and shafting system，while the latter aims at the friction in the interface between hull and water，as well as that of hull and atmosphere．Analyzingthe relationship between green ship and tribology，this paper discusses these two fields from three specific domains in the viewof systematical standpoint，which are tribology problems of new energy ship，tribological research for hull resistance reducingand energy efficiency improving，and finally，the blueprint and entry points for relative study on tribology that takes theshipping industry as its application field are prospected by reviewing and dissecting the research progress and developmenttrend．Key words：green ship，tribology，clean energy，ship drag reduction，energy efficiency improvementReceived9March2012，revised19May2012，accepted2June2012，available online28July2012．*Corresponding author．E－mail：xpyan@whut．edu．cn cn，Tel：+86－27－86549879．The project was supported by the State Key Program of National Natural Science of China（863）（2012AA112701）．国家高技术研究发展计划项目（863）（2012AA112701）资助．航运业是综合交通运输体系的重要一环，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］．就我国而言，根据交通运输部《2010中国航运发展报告》，我国水路货运量、货物周转量在综合运输体系中所占比重分别为11．7%和48．2%．与陆运和航空运输相比，船舶运输在经济性、安全性和环保性方面拥有巨大的优势．运输同样的货物，卡车的能源消耗为内河船舶的10倍，火车的能源消耗为内河船舶的2倍．然而气候变化、全球变暖给全球带来了日益严峻的环境压力，将船舶及航运业对环境的污染问题推到了“聚光灯”下，船舶减排面临前所未有的挑战，统计数据显示船舶所排放的CO2、SO x、NO x和PM（固体颗粒）等污染气体总量在不断增大．另一方面，高涨的燃油成本、持续增长的燃油需求以及石化能源的可采资源量的问题，使得船舶界和航运业迫切希望寻找新的船舶营运型式．在这种背景之下，航运带来的环境保护及社会责任问题越来越引起行业的重视，“绿色船舶”的概念随之产生，以采用新技术、新能源、新材料和新工艺为基础的绿色船舶正在积极地发展．在全球节能减排呼声日益高涨的境况下，针对绿色船舶的典型特点，如综合能源利用技术、低碳润滑技术、减摩耐磨涂层和摩擦学仿生材料等，如何利用摩擦学技术理论，进一步提高其节能效率并减少污染气体的排放，对多学科交叉的摩擦学提出了新的挑战．1绿色船舶与摩擦学“绿色船舶”的概念最早出现于20世纪90年代中期，系采用相对先进技术（绿色技术）在其生命周期内能经济地满足其预定功能和性能，同时实现提高能源使用效率、减少或消除环境污染，并对操作和使用人员具有良好保护的船舶．为了更快地推进绿色船舶发展进程，IMO（国际海事组织）、欧盟以及各国船级社纷纷出台各种规范、标准，从制度上确保全球海洋环境或区域海洋环境尽可能地免受污染．2011年7月15日，在伦敦闭幕的国际海事组织海洋环境保护委员会第62次会议，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．各国陆续推出应对方案：DNV（挪威船级社）推出环境和能源效率等级方案；LR（英国劳氏船级社）颁发独立审核的绿色护照，负责新造船和营运船绿色护照的审核和认证工作；GL（德国船级社）推出环境服务体系，旨在满足客户对于相关环境需求的特别服务，“环境护照”是该服务的具体体现［2－3］．中国船级社为促进节能减排技术应用，倡导绿色造船和绿色航运，推出了Green Ship（绿色船舶）附加标志作为对绿色船舶的特别标识．根据船舶各个绿色要素达到的水平，授予的绿色船舶附加标志分为3个级别．适用于所有申请绿色附加标志的船舶，贯穿于新船的设计与制造、营运和拆解的全过程．目前，绿色船舶的涉及面从基本的高效节能船型到低排放高效动力推进装置，到环保无污染涂料以及轻质材料，谓之面面俱到．人们正在通过利用世界最前沿、最先进的科学技术，从各个方面打造新型绿色船舶．可以断定，未来绿色船舶的发展方向将是综合了所有绿色因素的新概念船舶［3］．摩擦学是研究物体相互运动表面之间的相互作用，以及相关问题与实践的科学与技术，包括润滑、摩擦、磨损等，摩擦学普遍存在于生活生产实践当中，涉及范围广泛．随着资源、能源和环境状况的进一步恶化，摩擦学的作用更加突显出来，其研究目标也相应地发生了变化，即从传统的控制摩擦，减小磨损，改善润滑发展到节能、节材、减排、减振、降噪和发展生物生态润滑以及改善生命质量［4－5］．绿色船舶涉及到的摩擦可以分为外摩擦和内摩擦两部分，外摩擦主要是指与空气和水接触部分．其中，与空气的摩擦，包括船舶甲板上层设备；与水的摩擦，包括船体壳板、螺旋桨、舵与艉轴外支架．内摩擦主要指船舶主机、船舶辅机与船舶轴系等产生的摩擦．就绿色船舶而言，这两部分涉及到的重点问题及深入研究的方向，可以从三个方面展开，即清洁能源船舶的摩擦学研究、船舶减阻的摩擦学研究以及船舶能效提升的摩擦学研究．2清洁能源船舶的摩擦学研究清洁能源的是指对能源清洁、高效、系统化应用的技术体系，就目前的技术发展态势而言，以风能、太阳能、核能、燃料电池、潮汐能、氢能和生物质能为代表的清洁能源技术已在各型船舶上得以试验应用［6］．值得注意的是，由于能源形式和利用方式的不同，在实际研发建造清洁能源船舶的过程中更需综合考虑船型、船舶结构、动力系统、电气系统、船员配置、航行区域和港口物流等各个要素，所以当前清114第4期严新平，等：绿色船舶的摩擦学研究现状与进展洁能源船舶的工程化情况并不具有通用性．清洁能源作为一次能源，并不能被船舶上电气设备或动力设备直接应用，需经能量转换装置成为电能或其他二次能源．以利用海洋波浪能为例，其能量转换装置中包括铰接、轴承和缸套活塞等摩擦组件以便将不规则波浪能转换为线性往复运动－回转运动带动发电机运转的机械能．上述摩擦组件的工作过程与陆上设备工作环境相比，在具有湿度高、温变快和腐蚀性等特点的海洋环境中，摩擦磨损的边界条件更为复杂，多因素综合作用的效应更难以处理．南安普敦大学Robert J K Wood 等［7－8］从海洋可再生能源发电系统摩擦学设计约束条件这一点入手，以海上风机、潮汐和波浪发电装置等为研究对象，研究并分析众多相关因素，包含润滑、污染、轴承和齿轮箱故障、生物粘附、气蚀、磨蚀、状态监测、设计趋势和摩擦部件负荷状态等．Harish Hirani 等［9］对采用新型橡胶轴承的船用推进系统轴系中的水润滑（海水－淡水）径向轴承进行了混合润滑实船案例分析，其采用数值计算的方式估算了针对不同负载和转速情况下的润滑水膜厚度，同时根据特定表面粗糙度参数对具体润滑模式进行了预测．此外，针对提高运输工具燃油经济性和可靠性的超硬低摩擦（摩擦系数小于0．05）纳米复合材料涂层和超低摩擦涂层技术也已见诸报道．对于风能、太阳能等其他清洁能源技术而言，能量转换系统的机械机构所含摩擦副及其摩擦学特性迥异，需要进行深入研究、分析和归类，才能在解释其机理的基础上更进一步提升整个能源转换系统的工作效率和可靠性．实际上，通过对国内外学术领域近年来在清洁能源技术、绿色船舶和摩擦学（绿色摩擦学）等多个方向所发表文献进行的跟踪和分析，发现以解决绿色船舶摩擦学问题为出发点的研究极为有限．文献大都集中于解决某些系统的摩擦副的摩擦学问题，而对海洋环境因素和绿色船舶载体这两个典型特征未予考虑．本文所列述的部分研究成果仅对其中某些问题有所提及，在理论体系上并不完善．限于篇幅，本文以风帆助航船舶和太阳能船舶为典型进行论述．2．1风帆助航技术的摩擦学问题目前，世界上共有十余种不同形式和结构的船用风帆．尽管各型风帆结构存在较大的差异性，但是在基本原理上彼此之间却有着紧密的联系［6］，如图1所示为各型风帆助航船实景图或设计图．按照工作原Fig．1The various types of sail －assistant ships图1各型风帆助航船214摩擦学学报第32卷理，风帆可分为：第一，翼型原理采用翼型原理或与翼型原理相仿的风帆称为帆翼，又称作翼型帆或者翼帆，主要有矩形帆翼、三角帆翼（简称三角帆）、Walker型风帆、Skysail（天帆）；第二，利用马格努斯效应产生推进力的风帆，主要为转筒帆（又称转柱帆）；第三，将机翼原理与马格努斯效应两者结合而产生的帆型，如转子－帆翼组合体；第四，采用控制边界层分离原理的抽气式涡轮帆等．2．1．1定航速模式航行下柴油机低负荷运行的摩擦学问题从运营安全和港口物流角度出发，一般要求船舶采用定航速航行模式．当风速和风向条件达到可利用需求时，就需要降低主机输出功率并使其维持在低负荷状态下工作．船用大型低速柴油机较长时间低负荷运行时，其燃烧效率降低、积炭明显增加，进而导致缸体内表面发生变化，使得活塞运动润滑不良、阻力增大，甚至划伤气缸壁，严重时还会导致爆缸．因此，重点研究柴油机低负荷运行时各运动部件摩擦副表面的摩擦学特性，有助于提高整机工作效能，进而保证长期运转过程中的可靠性和经济性．2．1．2风载荷及风振作用于风翼机构的摩擦学问题第一，风帆船在航行的过程中，恶劣的海上环境会加剧风帆与骨架之间的接触摩擦，最终可能导致传动失效，因而在帆架结构的材料选择上提出了新的要求．选择经济可靠的抗腐蚀材料，或在钢结构材料表面覆盖耐磨材料以增加其使用寿命，进而提高整个帆面的使用寿命．第二，在不同类型折叠帆的钢架结构中，如图2和图3所示，帆面横向肋骨中的铰链机构会因在风载荷作用下进行收帆、张帆以及帆向角调整操作而发生摩擦磨损，而海上复杂气象环境的影响更将恶化摩擦副之间的摩擦特性，对帆的使用寿命产生负面影响．因此，需要研究并采用合理的润滑模式以降低其摩擦系数，保证正常工作．（a）Furlingcondition（b）Stretch conditionFig．2Foldable rigid sails图2折叠式硬帆Fig．3Foldable lifting sails图3折叠式升降帆第三，海洋环境中极具不确定性的风载荷会通过帆面受力而直接作用于风翼桅杆上，使安装于其中的机械传动机构在交变载荷的冲击作用下发生振动冲击或微动磨损，最终可能导致零件的疲劳破坏，如传动系统中轴承的疲劳失效、齿轮齿面间磨损和胶合等现象．特别是具有腐蚀性的海洋环境，传动轴承将同时承受盐雾腐蚀等众多因素的综合作用．如选用滑动轴承，需着重研究包含腐蚀磨损、微动磨损、振动冲击和疲劳磨损等多种机理的摩擦学问题．2．2太阳能光伏技术的摩擦学问题太阳能光伏技术是基于半导体材料在光照射下产生空穴－电子对的原理将太阳辐射能转换为电能进行利用．对于陆上系统而言，为实时获得最大太阳辐射能，会采用机械驱动机构进行单轴或双轴太阳角度跟踪．对于太阳能船舶而言，由于需要考虑在船舶甲板区域内最大限度地获取太阳辐射能的同时，314第4期严新平，等：绿色船舶的摩擦学研究现状与进展还需考虑到可调电池阵列在风载荷下对船舶稳性的影响问题，故在采用“太阳帆”的双体船上应用较多，而在小型船或大规模采用光伏系统的远洋船上主要采取直接平面铺装太阳能电池板的方式［10］，如图4所示．2．2．1光伏逆变器工作过程中存在的微动磨损与腐蚀磨损耦合作用问题作为将太阳能电池板所输出直流电转换为交流电的电气设备，光伏逆变器在工作过程中将承受由船体内动力设备运转所产生的低频振动影响．此外，由于腐蚀性海洋环境和机舱内高温、高油气环境因素的综合作用，逆变器内部电子元器件和开关器件的工作特性将受到何种影响，目前尚未有相关方面的研究．另外，从船舶入级规范的角度考虑，任何用于船舶上的设备均需符合相应标准要求，突显了针对大容量船载光伏逆变器在复杂环境中工作特性研Fig．4Various types of solar ships 图4各型太阳能船究的必要性．2．2．2海水蒸发后形成盐颗粒对太阳能电池表面玻璃的摩擦问题船用太阳能电池板所处的海洋环境极为苛刻，含有大量的盐份、水气及海风中夹杂的酸碱性物质，虽然大多数太阳能电池板玻璃盖片耐环境性能（光学性能、化学稳定性、冷热稳定性）较好，但长期处于温差大、盐分大、湿度高的环境中极易发生污染、着色、腐蚀和磨损等系列问题，使得光伏电池对太阳光的利用率下降，进而导致整个系统转换效率下降［11－14］．图5所示为在实验室环境模拟海洋环境的不同浓度盐水浸没试验中的玻璃表面形貌．在试验过程中，随着水份的不断蒸发，在玻璃表面会不断的析出盐粒，导致玻璃表面出现大量的盐斑，从而使得通过玻璃的太阳光透过率降低、反射率增高，也就影响了玻璃盖片的光谱透过率［15］．另外，苛刻的海洋环境更会严重影响到船用太阳能电池板的可靠性，在水浸、盐蚀、振动等因素的作用下，会出现太阳能电池板的密封开裂，内部出现裂纹等诸多情况，影响到太阳能电池板的可靠性．3船舶减阻中的摩擦学研究流体中运动物体受到的基本阻力由摩擦阻力、黏压阻力和兴波阻力组成．长期以来，人们一直在寻找减少流体阻力的有效方法，其中研究较为深入的方法有以下几种［16－17］：414摩擦学学报第32卷Fig．5Salt －water experiments of battery glass covers under the simulated marine environment图5模拟海洋环境条件下的电池玻璃盖片盐水试验第一，探索物体的流线型，包括由于形体改变对保持层流边界层的影响．希望通过型线的选择，能“自动”保持边界层层流流态，如果做不到这一点，则通过吸气、增压或其他方法“强制”保持，关于这种方法，在各种行业的应用已很普遍．第二，随着流体力学和高分子化学研究的进一步发展，众多学者提出使用高分子稀溶液以实现黏性减阻，即将高分子稀溶液注入物体壁面附近（注入到流核区无效）形成类似于鱼鳞表面的黏性液体．就内流而言，最高时可使阻力系数减少40% 50%．在相关领域的具体应用也部分证实了其有效性，但这种减阻的方法在某些领域应用时有一定的局限性，有的情况甚至是不可能的．例如，针对船舶采用黏性减阻的方式就直接面临两个方面的问题：一则，向水中加高分子稀溶液与STCW78/95公约中针对防止船舶造成海洋污染的相关条款相悖离；二则，成本不可控．第三，根据仿生学的启示，人们发现弹性材料护面可实现黏性减阻．实验表明：游泳运动员游泳时穿紧身的弹性尼龙衣，比不穿游泳衣时所受的阻力要小［17］．减阻的主要原因是此弹性边界为柔顺边界，最理想的情况下，边界的波动能自动与附面层的波动合拍，即所谓的“同步波动”．在这种情况下，流动阻力大大降低，可实现最大程度的减阻．当然，同步程度的不同，传递的能量在边界区域直接散失的能量也有所差别．通过选择合适的船型参数，利用球鼻首等造成有利的波系干扰，以及采用压浪条（板）、船艉附体等技术措施，均能改善艉部流场，可有效减少常规单体舰船的兴波阻力；采用双体船、水翼艇、潜水船、小水线面船等特殊船型，可以更有效地降低兴波阻力；鲨鱼是海洋中游得最快的动物之一．其皮肤布满微小的肋条状鳞片结构，这种带肋条的表面能有效地降低鲨鱼肌体在水流冲击中的振动，从而大幅降低游动阻力．人们已经通过对鲨鱼微鳞片进行抽象、放大和简化仿形加工出了仿生鲨鱼皮［18］，实现了7%左右的减阻率．尺度与形状是决定低阻动物表皮发挥减阻机能的关键因素［19］，制造出与生物原型表皮形貌相逼近的仿生减阻表面、实现减阻率7%的突破仍是尚待解决的难题［20］．生物加工技术可以直接将复杂生物形体引入功能形体制造，能够突破现有加工手段在工艺和效能上的瓶颈，北京航空航天大学张德远等［21］借助生物复制成形工艺对鲨鱼皮外端形貌进行大面积微复制，并进行减阻试验，结果表明：在测试范围内，减阻率高达24．6%．针对船舶而言，在摩擦阻力、黏压阻力和兴波阻力3种成份中，通常摩擦阻力是主要的．从航运企业的角度，降低船舶摩擦阻力对节约燃料、提高船舶营运利润的价值是十分显著的．船舶在真实流体中运动过程中，由于流体的黏性，在船体湿表面周围形成厚度随着船长而增长的边界层．边界层中的能量由船舶供给，由此对船舶产生了摩擦阻力，其大小与船体湿面积的大小、船体表面粗糙度、船壳涂料、污底、船壳表面流体速度以及流体密度等因素均有密切关系．一般低、中速船舶的摩擦阻力占总阻力的70 80%［22］．现有降低船舶摩擦阻力的技术，主要包括：船舶主要尺度和线型优化（在设计船体时尽可能考虑减小其湿表面积），气膜减阻和仿生船体表面减阻．其中，在仿生减阻领域的研究值得高度关注．在降低船舶兴波阻力方面，目514第4期严新平，等：绿色船舶的摩擦学研究现状与进展前有2个主要解决途径：一则，采用双体船、水翼艇、潜水船、小水线面船等特殊船型；二则，基于对流体动力学和船体摩擦阻力的认识，通过选择合适的船型参数，利用球鼻首等造成有利的波系干扰，以及采用压浪条（板）、船艉附体等技术措施，通过改善艉部流场以有效减少常规单体舰船的兴波阻力．3．1优化船舶的主要尺度和线型有统计资料表明，对中低速船舶，特别是肥大型的中低速船舶，形状阻力约占总阻力的10% 30%．随着国际远洋运输的主力船型（油船、散货船、集装箱船）向着大型化、快速化、专业化的方向发展，对此类船型的形状阻力进行减阻研究将具有实际的工程意义．首先，应用CFD优化船体线型，尽量推迟层流转变和湍流分离．因为边界层内流动若能持续维持层流状态，可使其表面摩擦阻力比处于湍流状态下要小1个量级．实际上，控制其完全处于层流状态是不可能的，延缓湍流分离过程作为折中手段也可在一定程度上实现减阻目的．其二，球鼻艏技术．球鼻艏结构外形复杂，但是其对船体减阻节能特性和声纳导流罩水声性能却具有显著且复杂的影响．国内外已有不同型号的大型驱逐舰采用了作为声纳导流罩的球鼻艏，但是基于其特殊技术要求，这类球鼻艏并不具有减阻节能功能．已有数据显示，应用该型球鼻艏可能导致使船体阻力增加约3%，故通常仅称之为声纳首［23－24］．在高速水面舰船加装新型减阻节能球鼻艏，则是近年来国内外前沿研究课题．这类球鼻艏具有近水面、大前伸的外形特征，称之为减阻节能球鼻艏．据初步分析，采用减阻节能球鼻艏有望取得优良的减阻节能效果（节能15%以上），因此具有重要的应用前景．其三，前缘引流减阻技术，源于流体力学研究中的钝体绕流技术，国内外对这一领域的研究主要集中在对流体中的柱体开孔和钝体分离流控制等方面．其中，对圆柱体绕流的研究为其技术应用的典型代表．圆柱绕流源于边界层在柱体去流段发生分离而产生的漩涡，由此形成的柱体前后压力差是柱体阻力的主要原因．在研究中通过采取在柱体前后开缝、开孔引流等措施改变表面边界层分布，推迟边界层的分离，从而改善柱体周围流场分布，实现减阻目的．国内外众多试验研究均验证了钝体前缘开孔引流对其周围流场特别是尾部流场具有明显改善作用，减阻效果亦很可观．3．2气膜减阻气膜减阻技术的原理是利用水与空气的密度、黏度的差别，在船底通入空气，形成1层薄的气液两相混合流，通过混合流密度、黏度以及流动模式的改变，减少船体的摩擦阻力．大量试验表明：在适当喷气流量和水流速度下，平板及回转体的表面摩擦阻力可减少50% 80%［25］．19世纪末，W Froude首先提出在船舶与水之间注入空气层来减小船体表面摩擦阻力的设想并进行了一些试验尝试．但限于当时的理论研究水平滞后且试验条件和设备不足，试验结果并不理想，未能取得成功．但这却为后来者的减阻研究提供了1种全新的思路，推动了这一减阻研究技术的快速发展．目前微气泡减阻已经成为船舶减阻研究领域最热门的方向之一，各国政府都投入巨大的人力、物力、财力以求在微气泡减阻领域取得突破．1984年，美国学者Madavan等［26］在试验水池中对回转体的微气泡减阻进行了研究，验证了前苏联Migirenk等的研究结论，其试验研究中得到摩擦阻力可减少50% 80%的结论．试验结果表明：相同速度下，喷气量越大，摩擦阻力减小越多，达到一定临界值后，继续增大喷气量，摩擦阻力变化不大；而相同喷气量下，航速越高，减阻效果越差；同时，喷气口上游区域受气泡影响很小，对混合介质的速度分布基本无影响．国内学者对微气泡减阻的研究起步较晚，始于20世纪80年代，但研究进展很快，已经取得了一定的成果．海军工程大学董文才等对平板和滑行艇进行了微气泡减阻的试验研究［27］，主要探讨了来流速度、喷气量、喷气方式、喷缝尺寸等因素对减阻效果的影响，得到了许多具有参考价值的数据结论．气膜减阻技术耗能较少且能够有效大幅减阻，研究发展该项技术具有显著的经济及军事优势，因而被普遍认为是船舶减阻领域最具前景的研究方向．目前，微气泡减阻作为该领域最热门的方向之一，已受到国内外船舶工程、水动力学等学科领域专家学者的高度重视．3．3仿生船体表面减阻船舶使用一段时间后，船壳由于被腐蚀等，其粗糙度就会增加．同时，海生物对船壳的污底与附着也日益严重．一般污底可影响1 1．5节航速，严重污底会降低航速2节以上．国内外有关新型防污涂料的文献专利报道非常可观，涉及到无锡自抛光、可控溶解型、生物防污、化614摩擦学学报第32卷。
摩擦学的进展和未来
摩擦学的进展和未来一、本文概述摩擦学，作为一门研究物体间接触表面相互作用及其产生的摩擦、磨损和润滑现象的学科，自其诞生以来就在工业、交通、能源、生物医学等众多领域发挥了至关重要的作用。
随着科技的不断进步，摩擦学的研究也日益深入，新的理论、技术和应用不断涌现。
本文旨在全面概述摩擦学领域的最新进展，并展望其未来发展方向。
我们将回顾摩擦学的发展历程，从最初的经典摩擦理论到现代的纳米摩擦学、生物摩擦学等新兴分支。
接着，我们将重点介绍摩擦学在材料科学、机械工程、航空航天、生物医学等领域的最新应用，如高性能涂层材料、纳米摩擦调控技术、智能润滑系统等。
我们还将讨论摩擦学在能源转换与存储、环境保护、可持续发展等全球性问题中的重要作用。
在展望未来部分，我们将分析摩擦学领域的发展趋势和挑战，如跨学科融合、技术创新与产业升级等。
我们还将探讨摩擦学在智能制造、新能源、生物医疗等领域的发展前景，以及其在推动社会进步和可持续发展中的潜力。
本文旨在全面梳理摩擦学的进展和未来，以期为该领域的研究者、工程师和决策者提供有益的参考和启示。
二、摩擦学的基础理论摩擦学，作为一门研究物体表面间相互作用和摩擦现象的科学，其基础理论涉及多个学科领域，包括物理学、化学、材料科学和力学等。
这些基础理论为摩擦学的发展提供了坚实的支撑，同时也为未来的探索提供了新的思路。
接触力学理论：接触力学是摩擦学的基础，主要研究物体表面的接触行为和接触应力分布。
该理论通过研究接触表面的形貌、材料属性和载荷等因素，揭示了接触界面上的应力分布规律，为摩擦学的研究提供了重要的理论基础。
弹塑性理论：弹塑性理论主要研究物体在受力作用下的变形行为，包括弹性变形和塑性变形。
该理论为摩擦学提供了关于材料表面在摩擦过程中变形和损伤机制的重要认识，有助于深入理解摩擦现象的本质。
摩擦热学：摩擦过程中，由于摩擦力的作用，物体表面会产生大量的热量。
摩擦热学主要研究摩擦过程中的热量产生、传递和消散等问题。
仿生学的研究进展及其应用前景
仿生学的研究进展及其应用前景伴随科学技术的迅猛发展，人们对自然界各种奇妙生物、构造的深入研究和模仿已经成为一种重要的科学研究方向。
这便是仿生学，它是从生物学、材料科学、机械工程、信息科学等各个领域综合而来的一门学科。
仿生学以“模仿生物、提取先进的生物机能与理念、为人类服务”为基本理念，通过研究各种生物构造、机能、行为方式和思维规律等，进而创造新的材料、器件和系统等。
近年来，仿生学的研究进展有目共睹，特别是在材料、机器人、医药等领域都有广泛应用前景。
一、仿生材料仿生材料是仿生学领域研究的一个重要分支，它主要以生物材料构造和机能为研究对象，通过模仿和设计，制造出具有类似生物材料功能的新材料。
例如，仿生材料中的自愈材料，就是模仿某些昆虫和植物自我修复的机能，研制出一种无需外力干预，自动修补材料的新型材料。
另外，仿生材料还可以模仿如树木、蜥蜴皮肤、贝壳等的机能和特点，创造出一些具有超高强度、超弹性、超防水、超耐磨性等突出特点的新材料。
二、仿生机器人仿生机器人是仿生学中的另一个热点领域，主要研究如何从生物体中汲取灵感，创造出更加先进的机器人。
仿生机器人的研发有广泛的应用前景，例如仿生机器人能够在各种恶劣环境中进行作业，成为解决某些特殊问题的利器。
此外，仿生机器人还可以在军事、医疗、航空等领域中扮演重要角色。
三、仿生医学仿生医学是仿生学领域中和人类生命健康密切相关的领域，主要研究如何从生物体中提取灵感，研究和开发新型生物医学器械、药物、诊疗手段等。
在这个领域，仿生学的研究成果已经得到了广泛的应用。
例如，仿生医学领域研制的人工心脏和机械手臂等器械，可以帮助患者恢复或增强人体功能；仿生药物的研发可以提高药物的效率和减少不良反应；仿生诊疗手段可以提高诊疗的准确性和治疗效果。
可以预见，仿生医学在未来会为医学和医生带来更多的帮助和突破。
总之，仿生学是当前各项技术和学科交叉融合应用的体现，其研究成果已经深度渗透到生活、工业、医疗、军事、航空等多个领域，影响着人类的生产生活方式和发展方向。
摩擦学的进展与展望
摩擦学的进展与展望摩擦学是一门关于摩擦现象及其控制的学科，是材料领域中最重要的基础科学之一。
随着科学技术的不断发展，摩擦学研究也逐渐取得了新的进展和突破，本文将简述摩擦学的进展以及未来的展望。
一、摩擦学的进展1. 材料性能的改进随着材料科学的发展，工程界不断提出新的材料，任何材料都不能发展的独立于摩擦学的限制。
新型材料的发展为减小摩擦提供了一种途径，包括纳米材料，硅基材料等等。
2. 润滑技术的发展传统的润滑技术包括机械润滑、油润滑、气体润滑等。
而近年来润滑技术的应用也越来越广泛，从传统的机械润滑开始转向静电场润滑等新型技术，这些技术的应用有效地减小了摩擦现象，增加了机械设备的寿命。
3. 摩擦学理论的深化随着计算机技术和数值模拟技术的发展，摩擦学理论得到了很大的改进。
现代摩擦学理论已经逐渐从传统的摩擦现象说明向着深入探讨摩擦机制的方向发展。
同时新型摩擦学理论的提出可为材料科学提供新的支撑。
二、摩擦学的展望随着材料科学、计算机科学的快速发展，摩擦学在未来还有非常广阔的发展空间。
未来摩擦学的发展重点包括以下几个方面：1. 摩擦与磨损控制的理论和技术的发展随着工业的快速发展，摩擦机制和材料耐用性是极其关键的。
未来研究需着重探索摩擦与磨损强度之间的关系、摩擦机制的本质、新型润滑剂的研究等等。
2. 智能润滑技术的推广智能润滑技术将润滑技术与计算机技术相结合，开发出一种更加高效、自适应性更强的新型润滑系统。
未来摩擦学的应用将更加普及和广泛，发展出与工业现状高度契合的新型智能润滑技术。
3. 摩擦学与新材料的研究在现代工程技术和材料科学的高度发展下，新型材料的研究变得越来越重要。
未来的摩擦学还需要关注新型材料的摩擦特性、摩擦不稳定性等方面的应用研究。
尽管摩擦学已取得了长足的发展，但是未来摩擦学的发展研究充满了无限的可能性。
相信有天人们可以突破摩擦机制的局限，创造出更多的奇迹。
4. 微观结构与摩擦特性的研究随着纳米技术的不断发展，微观结构与摩擦特性之间的关系逐渐成为了一个热门领域。
仿生学的研究进展与未来方向
仿生学的研究进展与未来方向近年来，随着科技的快速发展，仿生学作为一门跨学科的新兴科研领域正逐渐成为学者和科技工作者争相研究的热点。
其将生物学、工程学、材料科学等学科的知识融合，将模仿自然的形态、结构、功能进行科学研究和技术应用，带来了诸多创新点和前沿技术。
本文旨在介绍仿生学这一新兴领域的研究进展以及对未来方向的探索。
一、仿生学的研究进展在仿生学这一领域中，研究对象多种多样，包括昆虫、鱼类、鸟类、哺乳动物等。
通过深入研究这些生物的结构构造、生理学特征以及生态环境，对其实现的功能进行模仿，仿生学研究者们已经在航空、船舶、汽车、医疗、智能机器人等领域实现了许多突破性的成果。
1. 生物翅膀的仿真研究在航空领域，仿生研究者们借鉴昆虫翅膀的特点，对航空器进行改进。
例如，研究者们发现昆虫翅膀表面具有一定形状的微观结构，可以降低表面粘附性，从而为降低空气阻力提供助力。
同时，仿生学的目标也是通过像自然一样的方法实现更高效的运动、适应复杂的环境情况，提高航空器的安全性和经济性。
2. 鲸鱼皮肤的仿生研究在船舶领域，仿生学也有较大应用。
通过深入研究鲸鱼的皮肤特征，设计出了具有远航特性的仿生船壳。
仿生技术可以使船体外表面光滑、阻力小，大大降低货船船体摩擦力及油耗，达到减少运输成本的效果。
3. 鱼类运动机制的仿生研究在机器人领域，仿生研究者们借鉴鱼类的运动机制设计水下机器人。
例如，仿生研究者们通过深入鱼类游泳的特点，设计出了仿生鱼类机器人。
这种机器人具备非常优秀的修正机制，它的尾鳍皮下和尾鳍表面都有连成一体的舵面。
二、仿生学的未来方向仿生学的未来发展趋势和方向是令人期待的。
以下是创新的三个方面：1. 智能化和自主化随着人工智能技术的不断提升，我们可以期待仿生机器人将以更加智能、更加自主的方式实现对环境的感知、分析和决策，更好地适应环境变化。
这也包括机器人将要更加具备自我修复能力，即通过仿生学研究出的材料和结构的电话重新构建和完善自身。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1) 杜家纬. 21 世纪仿生学研究对我国高新技术产业的影响. 220 次香山科学会议, 北京香山, 2003
2353
第 51 卷 第 20 期 2006 年 10 月
评述
究具有优异摩擦学性能的生物结构和材料的宏观几 何、材料拓扑、表面织构等几何构形的规律性; (ⅲ) 研究生物结构和材料的创成规律及其仿生制造技术.
组成生物材料的主要化学成分是轻元素(碳、氢、 氧、氮等), 在生物进化、演化和生长的过程中, 生物 对其组成材料的化学成分的选择是非常保守的, 因 此生物体和生物材料实现优化的主要途径是材料拓 扑结构的优化和表面织构的优化. 上述优化通过几 何结构的演化实现. 而人们在设计中, 最难于实现创 新的方面是对几何构形的优化, 因为几何构形具有 无穷的选择性, 而且难于发现其中的规律性. 所以仿 生摩擦学研究的重点是: (ⅰ) 评价和揭示生物材料 的摩擦学性能(减摩、耐磨、减黏、增黏等); (ⅱ) 研
在 MEMS 器件中, 表面力(毛细力和 Van der Waals 力等)是主要的运动阻力源, 而较高的疏水性对于提 高 MEMS 器件的性能、降低 MEMS 器件的能耗、提 高可靠性具有重要价值. 但类似于荷叶的表面织构, 由于接触面积太小, 可能不能直接用于 MEMS 器件 的表面设计, 如何利用其良好的自清洁功能, 同时具 有高的承载能力, 是需要大力研究的内容.
虫同时具有爪子和光滑脚垫, 壁虎同时具有爪子和刚 毛脚垫.
图 3 几种动物爪垫的纳米尺度刚毛结构
(a) 甲虫; (b) 苍蝇; (c) 蜘蛛; (d) 壁虎
基于几何仿生的理念和黏着接触的JKR模型 [19], 国内外学者广泛开展了刚毛型黏附脚掌的研制, 认 为仿生刚毛直径越小, 能够产生的黏附力就越大. Gorb等人 [20]用聚乙烯硅氧烷(PVS)和模压方法, 研制 了高 0.4 mm、断面 0.250 mm × 0.125 mm的“人工刚 毛”, 在预载荷 150~400 mN下, 黏附力达 60 mN, 单 个仿生刚毛的黏附力约 0.56 mN. 这种仿生结构的黏 附性能高于光滑表面. 用覆膜方法制得的 4 面锥形的 刚毛 [21]和用电子束加工方法获得的柱形刚毛都证实 刚毛几何效应的重要性, 但所测得的黏着力没有达 到预测值 [22]. 图 4(a)为MIT等单位用腹膜方法联合研 制的刚毛阵列, 其黏附力远低于生物体的黏附力. 图 4(b)为电子束方法获得的刚毛阵列, 可见存在刚毛间 粘连的问题, 而相互黏结的刚毛阵不能产生预期的 黏附力.
评述
第 51 卷 第 20 期 2006 年 10 月
仿生摩擦学研究及发展
戴振东① 佟 金② 任露泉②
(① 南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所, 南京 210016; ② 吉林大学地面机械仿生教育部重点实验室, 长春 130022. E-mail: zddai@)
摘要 在进化和生存竞争中, 生物形成了具有优异摩擦学性能的优化的结构设计、精巧的材料拓扑和多 功能表面织构, 成为仿生摩擦学的楷模. 本文提出仿生摩擦学的定义和学科基础, 从流固界面的黏附与 自清洁、生物脚掌与固体表面的黏附、生物表面磨损特性及仿生耐磨设计、流固界面的黏附及仿生等 方面回顾了仿生摩擦学的研究和进展, 讨论了仿生摩擦学进一步发展存在的问题.
本文概述仿生摩擦学的学科基础, 回顾仿生摩 擦学研究的主要进展, 提出仿生摩擦学发展面临的 主要问题, 并试图探讨仿生摩擦学未来几年最有可 能取得突破的领域.
1 定义、学科基础及历史回顾
摩擦学具有学科前沿性、广泛实用性及多学科交 叉的特点, 其学科基础涉及到力学、材料科学、制造 科学和机械设计等领域. 从科学内涵看, 研究内容包 括认识和理解生物表面润湿、黏附、摩擦、润滑、磨 损的生物物理机制; 包括不同工作条件下, 仿生原则 的建立和仿生设计的实现等. 从研究对象看, 涉及到 固-固表面、固-液界面和固-气界面间的相互摩擦作用 和由此产生的磨损. 与生命科学的交叉使摩擦学的 研究领域和科学基础更加广阔. 通过对生物体系的 减摩、抗黏附、增摩、抗磨损及高效润滑机制的研究, 从几何、物理、材料和控制等角度借鉴生物体的成功 经验和创成规律, 研究、发展和提升工程摩擦副的性 能, 这一领域称为仿生摩擦学. 而将摩擦学的理论、 技术和方法应用到生物体系(主要是人体)的摩擦副, 研究生物体系内或生物外表面的摩擦学问题, 如人 体置换关节的摩擦、磨损及其与生物组织的相互作用, 血液在人造心脏瓣膜上的黏附, 牙齿的磨损和由于 摩擦造成的皮肤损伤等领域, 称为生物摩擦学.
图 2 蝗虫爪垫的微结构
表面由许多六角形结构组成(b), 表面下为直径 0.08 μm 垂直于外表面紧 密排列的棒状组织, 该层的厚度为 6~10 μm(a), 次表面为相互平行并偶尔
有所交联的树丛结构, 树丛直径为 1.12 μm, 延续深度 40~50 μm(c)
刚毛爪垫覆盖有细长、可变形的刚毛(图 3)[17], 例 如壁虎、苍蝇、某些甲虫和蜘蛛的爪垫, 这里每个刚毛 具有很好的变形能力, 而使每个刚毛能够与表面形成 众多的微接触区. Peressadko和Gorb[18]认为刚毛尖端部 位总体上是平的, 构成端部接触单元(terminal elements, TE), 其尺寸随着动物质量的增加而降低, 对金龟子 7 μm, 苍蝇 1~2 μm, 壁虎 10~100 nm. 按照Autuman的观 点, TE与表面形成Van der Waals力. 整个垫的黏附取决 于TE数量和与外物表面产生紧密接触的能力. TE数量 对于不同动物或同种动物的不同个体是不同的, 如壁 虎约为 50 万个. 昆虫依靠冗余的黏附机构, 实现不仅 能附着在光滑的表面, 也能够附着在粗糙表面上. 如蝗
固体间的黏附具有广泛的工程和生物学背景. 各种车辆的驱动和从动轮与支撑面间的附着行为, 对驱动效率和车辆运动的稳定性影响很大 [11], 细胞 对固体的黏附是其生长的必要条件 [12]. 自然界中脚 掌对地面的附着对陆上动物的运动至关重要. 若要 像蚂蚁、苍蝇、蜜蜂、蝗虫、甲虫、蜘蛛和壁虎等动 物那样具有在各种各样的表面上的运动能力, 脚掌 的设计就成为核心技术之一. 为此这类动物演化形 成了各种保证良好附着的机构和微结构. 从形态上 分, 动物的附着器官可以分为三种: 爪子、光滑爪垫 和刚毛爪垫. 在粗糙表面上动物使用爪子, 爪子的附 着能力与表面粗糙度、爪子尖端的几何尺寸及摩擦系 数有关 [13]; 在光滑表面上使用光滑或者刚毛爪垫, 光滑的爪垫呈现软且可变形的表面, 例如蟑螂、蜜 蜂、蝗虫和臭虫的爪垫(图 2); 这类爪垫与接触表面 的黏附力以表皮与外物表面之间的分泌液膜作为介
图 1 莲属 Nelumbo nucifera (a)和芋 Colocasia esculenta (b) 的表面形态
2006 年 10 月
质. 如蝗虫爪垫与外物表面之间存在黏性液体, 即存 在所谓的湿黏附接触, 界面接触以爪垫表皮孔道分 泌的黏性流体为介质 [14]. 这种脚掌宏观结构的有限 元分析表明, 在接触过程中会产生冗余的摩擦力, 使 得脚掌对表面的接触具有高度的稳定性 [15]. 昆虫的 幼虫采用类同的原理实现黏附. Hasenfuss[16]用光干 涉方法研究了 71 种鳞翅类的幼虫借助于薄液体油脂 层对光滑表面的黏附. 物理化学理论表明, 由于表面 张力和黏度的作用, 存在于两个光滑的刚性固体之 间的液体膜将产生由界面膜的毛细引力引起的法向 黏附力. 而昆虫幼虫的附着器(脚掌)对表面的黏附和 毛细力的理论有一定的差异. 原因有两个: (ⅰ) 动物 黏附垫是由很软的黏弹性材料组成, 其接触力学和 接触几何与经典的弹性接触有很大的不同; (ⅱ) 昆 虫脚掌脱附的过程是一个逐渐剥离的过程, 爪垫表 面的某些部分还可能与接触表面上的凸体直接接触.
2 重要研究进展及发展评述
2.1 流固界面的黏附与自清洁仿生
从严格意义上讲, 以液体在固体表面的润湿能力 及固体表面的织构对润湿性的影响为特征的自清洁技 术并不属于摩擦学研究的范畴, 但这种特性与润滑剂 对固体的润湿有密切关系. 光合作用是植物生长的能 量-质量转化环节, 叶子是光合作用的器官, 因此保持 叶子的洁净对植物生长至关重要. Barthlott和Neinhuis[6] 发现水在荷叶表面有很高的接触角, 这种超常的疏水 性, 源于荷叶表面复杂的三维介于微米-纳米尺度的表 面织构(图 1). 这种超疏水表面, 使水滴和沾染物与荷 叶表面的实际接触面积变得很小; 水在荷叶上形成水 滴, 实现对污染物的润湿和黏附, 当水滴从荷叶上滚动 时便将污染物颗粒带走, 形成降雨即可自清洁的表面, 并称这种现象为“荷叶效应”(lotus-effect). 他们测定了 考察了 200 多种疏水性植物, 其接触角均大于 150°[7], 这种疏水性是生物材料的表面微纳米织构与蜡质晶体 材料固有的疏水性结合的产物. 其理论基础是物理化 学中研究的润湿滞后. 在德国该技术已经获得 200 多项 专利, 在纺织品、油漆、玻璃、瓷砖和塑料等领域得到 广泛应用. 动物的许多部位同样具有显著的疏水性, 如 水黾脚掌的疏水性使它能够在水面上健步如飞 [8]. 对 97 种昆虫翅的表面微观结构和水在表皮上的润湿性研 究发现, 一些昆虫翅表面呈亲水性, 而另外一些翅表面 呈疏水性, 具有强疏水性的翅表面在雨水或露水作用 下同样具有自清洁功能 [9]. 臭蜣螂前胸背板表面具有 91°~106°的水接触角 [10], 这种疏水性与其表面非光滑 结构相结合, 使臭蜣螂表面在重污染环境下具有明显 的抗黏附功能.
关键词 摩擦学 仿生学 自清洁 黏附 摩擦 生物摩擦
摩擦学(Tribology)是研究作相对运动的相互作用 表面及有关理论和实践的科学技术 [1]. 运动是动物捕 食、逃逸、生殖和繁衍等行为的基础, 因此从最原始的 生物形成的那一天起, 摩擦学问题就一直伴随其演化 和进化的全过程. 在 35 亿年的进化和生存竞争中, 动 物形成了许多优异的几何结构、巧妙的材料拓扑、简约 而有效的控制方式和功能丰富的表面织构. 这些结构、 材料、表面及其运动控制的方式, 使动物运动平稳性、 灵活性、健壮性、环境适应性及高能源利用效率等方面 优于现代机械系统 [2]. 例如在摩擦驱动方面, 猫脚掌的 精巧结构, 使之得以快速、无声的运动, 这需要脚掌和 接触表面间具有高的摩擦力和低的冲击力, 研究动物 脚掌几何构形和材料物理力学性能的拓扑特征对汽车 轮胎的改进设计具有重要的参考价值 1); 在润滑方面, 人体关节的摩擦系数可以低到 0.005, 是普通中碳钢间 摩擦系数的 2%[3]; 沙鱼的皮肤结构能够降低它在水中 运动时的阻力, 其表面织构的设计已经被用到游泳运 动员的服装设计, 可降低阻力 4%~8%[4]; 在耐磨性方 面, 生物体系的磨损自诊断能力一直为人们所重视, 如 手掌的接触部分会因为摩擦而产生老茧, 达到抗磨的 目的. 同样植物在长期的演化中, 也形成了许多具有优 异摩擦学特性的表面织构和材料拓扑, 如竹子的增强 相结构, 猪笼草的唇边抗黏附织构等. 这些具有优异摩 擦学性能的生物体的结构设计、材料拓扑和表面织构的 规律, 成为现代摩擦学设计的楷模, 因此被称为科学的 永无止境的前沿 [5].