鲨鱼的皮肤几乎完全被小型[[0. 盾鳞(Placoid scales)]]覆盖。这些鳞片由棘刺支撑,当逆向抚摸时会感到粗糙,但当水流顺向流过时,鳞片会被压平,形成微小的涡流,从而减少水动力阻力和湍流,使游泳比硬骨鱼类更高效且更安静。鲨鱼皮肤还通过展现荷叶效应(lotus effect)起到防污作用。
所有真皮小齿都由一个内部的髓腔组成,髓腔内有神经和动脉供应,根部位于真皮层,为小齿提供黏液。真皮小齿含有从鳞片表面突出的肋状结构(riblet);在显微镜下,这些肋状结构看起来像钩子或从鳞片上突出的脊。真皮小齿的突出部分的整体形状取决于鲨鱼的种类,通常可以分为两种外观。第一种是鳞片上的脊横向排列,与水流方向平行。第二种是光滑的鳞片,表面有一个钩状的肋状结构,向鲨鱼的后部弯曲。这两种肋状结构都有助于形成湍流边界层,使层流远离鲨鱼皮肤表面。
与硬骨鱼类不同,鲨鱼拥有一个复杂的真皮束带,由柔韧的胶原纤维组成,呈螺旋状网络排列,环绕其身体。这种束带充当外骨骼,为游泳肌肉提供附着点,从而节省能量。根据这些盾鳞在身体上的位置,它们可以灵活调整,并能够被动竖起,从而改变其攻角。这些鳞片还具有与水流方向一致的肋状结构,这些肋状结构通过将涡流推离皮肤表面,抑制任何高速的横向流动,从而减少作用在鲨鱼皮肤上的阻力。
鳞片形态
鳞片的总体解剖结构各不相同,但所有钙复合物都会在主体骨骼外部水解鳞片。鳞片可以分为三个部分:冠部(crown)、颈部(neck)和基部(base)。鳞片的柔韧性与其基部的大小有关。柔韧性较高的鳞片基部较小,因此与疏松层(stratum laxum)的连接较为松散。在快速游动的鲨鱼鳞片冠部,有一系列平行的肋状结构或脊状突起,从前向后延伸。
通过分析鳞片的三个组成部分,可以得出结论:真皮小齿的基部不会与流体流动的任何部分接触。然而,真皮小齿的冠部和颈部起着关键作用,负责在皮肤表面附近产生湍流涡旋和涡流。由于真皮小齿的形状和大小多种多样,可以预期并非所有形状都会产生相同类型的湍流。在最近的一项研究实验中,使用牵引台作为滑道,在水箱中测试了具有新月形微观结构的仿生鲨鱼真皮小齿样本。实验表明,与光滑样本相比,带有真皮小齿的表面整体阻力减少了10%。这种阻力减少的原因是湍流涡旋被困在真皮小齿之间,形成了对层流的一种“缓冲状”屏障。
另一研究小组进行了类似的实验,并在仿生样本中增加了更多变化。第二组得出了与第一组相同的结论。然而,由于他们的实验样本中包含了更多变化,因此能够实现更高的实验准确性。最终,他们指出,更实用的形状比具有复杂脊线的形状更耐用。这些实用形状较为低矮,具有梯形或半圆形槽状横截面,虽然效果稍逊,但仍能将阻力减少6%至7%。
**阻力减少**
鲨鱼通过多种不同的途径减少阻力和整体运输成本(COT)。压力阻力是由于鲨鱼前部和后部之间的压力差产生的,这种压力差是由于鲨鱼推动自身前进时推动的水量造成的。这种类型的阻力也与层流直接相关。当鱼体周围的层流增加时,压力阻力也会增加。摩擦阻力是流体与鲨鱼皮肤之间相互作用的结果,其大小取决于边界层在鱼体表面的变化情况。
肋状结构(riblets)阻碍了粘性底层中顺流涡旋的横向移动。其机制复杂,尚未完全理解。基本上,肋状结构抑制了表面附近的涡旋形成,因为涡旋无法适应肋状结构形成的谷地。这会将涡旋推离表面更远,使其仅与肋状结构的尖端相互作用,而不会在谷地中产生高速流动。由于这种高速流动现在仅与肋状结构的尖端(非常小的表面积)相互作用,导致阻力的动量传递现在比之前低得多,从而有效减少了阻力。此外,这还减少了横向速度波动,也有助于动量传递。
最近的研究表明,在近壁边界层中存在一个前破裂和后破裂机制,其中底层以递减的速度增厚,然后突然破裂成湍流涡旋,最终崩溃。这个系统是完全自我调节的,并调节生长和衰减周期;涡旋在生长期积累,并突然转化为从壁面抬升的Strouhal阵列的“发夹涡旋”。抬升的涡旋将边界层推离鲨鱼表面,从而减少了鱼体所经历的整体阻力。
技术应用
鲨鱼和鳐鱼皮肤粗糙如砂纸的质地及其坚韧性,使其成为了一种珍贵的生皮革材料,称为鲨革(shagreen)。鲨革在历史上曾用于制作剑柄的握把。在日本料理中,鲨鱼皮肤的粗糙质地也被用于制作刨丝器(称为“oroshiki”),方法是将鲨鱼皮贴在木板上。由于鳞片细小,这种刨丝器可以将食物磨得非常细腻。
在海洋工业中,污损(fouling)是指水中物体被藤壶、藻类等海洋生物覆盖的过程。当船体被污损时,其效率会大大降低(因为表面变得更粗糙),并且清洁起来既昂贵又耗时。因此,廉价且环保的防污表面需求巨大,以提高航运、渔业和海军舰队的效率等。真皮小齿(dermal denticles)是这类应用的一个有前景的研究领域,因为鲨鱼是少数几种鳞片上不会附着或生长生物的鱼类之一。美国海军的研究表明,如果能够研发出仿生材料,可能会为军用船只节省高达45%的燃料成本。
基于水生生物(包括鲨鱼)结构的仿生材料和表面有许多应用实例。这些应用旨在提高在空气、水和油等流体介质中的运动效率。模仿鲨鱼皮肤的表面也被用于防止微生物和藻类覆盖潜艇和船只的船体。其中一种产品以“Sharklet”为名进行交易。
许多复制鲨鱼皮肤的新方法都涉及使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作模具。通常的过程是取一块平整的鲨鱼皮肤,用PDMS覆盖以形成模具,然后将PDMS倒入模具中,得到鲨鱼皮肤的复制品。这种方法已被用于创建具有超疏水特性的仿生表面,展现出荷叶效应。一项研究发现,这些仿生表面可以减少高达9%的阻力,而在拍动运动下,阻力减少可达12.3%。
真皮小齿还可以减少以表面湍流为主要阻力来源的物体的阻力。对于侧面相对平坦的长物体,总阻力的大部分通常来自壁面的湍流,因此肋状结构(riblets)会产生显著效果。除了海洋应用外,航空航天行业也可以从这些仿生设计中受益匪浅。其他应用包括管道,通过在内部刻出类似肋状结构的粗糙度,实现了5%的阻力减少,而竞技泳衣也声称可以减少几个百分比的阻力。
对鲨鱼真皮小齿进行了参数化建模,涵盖了从低剖面到高剖面涡流发生器的多种设计变化。通过这种方法,对具有锯齿、扇形和刀片横截面的对称二维肋状结构进行了最全面的表征。这些仿生模型被设计和分析,以观察将真皮小齿结构应用于各种飞机机翼的效果。在模拟过程中,注意到样本改变了低攻角和高攻角的反应方式。真皮小齿的几何形状及其排列方式对翼型的气动响应有深远影响。在测试的低剖面和高剖面样本中,低剖面涡流发生器的性能比当前光滑机翼结构高出323%。这种性能提升归因于真皮小齿尾流中的分离气泡和沿流向的涡流,这些涡流补充了由于表面摩擦而在边界层中损失的动量。