鯊魚靈感設計：有望讓航空旅行更快速、更高效

密西西比大學一位教授表示，鯊魚能在地球海洋中輕鬆遊弋的流體動力學原理，也可能讓人類在空中飛行得更快。他的研究旨在證明這一點。

密西西比大學機械工程助理教授吳文（Wen Wu）計劃改善飛行的氣流動力學，這有可能在降低能源消耗的同時，提高航空旅行的效率。

吳文稱：「鯊魚很特別，因其皮膚齒狀鱗與其他魚類的鱗片不同。」

吳文將與伊利諾理工大學機械、材料和航空航天工程系的約翰·G·奧林和簡·E·奧林講座教授路易斯·卡塔費斯塔（Louis Cattafesta）合作進行這項研究。

卡塔費斯塔表示：「我們有一個基於鯊魚皮膚的概念，根據一些初步模擬，它能以一種前所未有的方式減少阻力。」

鯊魚皮膚由數億片稱為「皮齒」的鱗片構成，其形狀如同三趾恐龍的足跡。「腳」的彎曲底部朝外，基部的圓柱形柱體將皮齒固定在鯊魚身體上。

長期以來，人們認為皮齒的外形能減少阻力，幫助鯊魚更快地遊動以捕捉獵物。這種觀念十分盛行，2016年每一位奧運游泳選手所穿的泳衣，都是參考鯊魚皮齒脊狀頂部的設計。

吳文稱：「事實上，當研究人員真正研究鯊魚皮膚時，發現在普通流動條件下，它並未顯示出任何減少阻力的效果。那麼為何泳衣有效呢？原來，如果你拿一片那種面料放在測試裝置中，它並不能減少阻力。」

「但它非常緊身，泳衣覆蓋全身，緊壓游泳者的身體，使其身形更流線型，同時促進血液迴圈。」

「那麼這對鯊魚是如何起作用的呢？人們開始關注流體力學中另一個重要的產生阻力的現象，即流體分離。」

鯊魚的身體從頭到尾逐漸變細，當水流經那逐漸變窄的表面時，水流並不會緊貼鯊魚身體。相反，水流往往會從身體分離。在鯊魚轉向時，這種分離的水流可能會在身體表面附近形成漩渦水流。

吳文發現，一股向後的水流會滑到皮齒的頂冠下方，並推壓其圓柱形基部，有效地利用水流的力量推動鯊魚前進。他在去年12月的《流體力學雜誌》上發表了有關這一發現的論文。

卡塔費斯塔表示，將這種設計融入飛機、船舶和其他交通工具中，既能降低能源消耗，又能改善空氣動力學效能。

他稱：「即使阻力能降低百分之零點幾，就能在飛機的能源成本上節省巨額開支。此外，還能減少排放，降低對氣候的影響。」

吳文將主導有關皮齒靈感材料在不同風力條件下效能的數值模擬，卡塔費斯塔將根據這些模擬結果進行實驗。

吳文稱：「如果要對此進行最佳化，那我們必須知道皮齒的尺寸、頸部間距等所有先進製造技術所需的細節。」

「我們將根據皮齒的研究結果開發表面塗層或附加結構，對其進行改進以超越鯊魚的生物極限，並加以最佳化，以便最大限度地利用表面下的反向水流，並將其應用於汽車、飛機，甚至運動員的裝備上。」