在浩瀚的海洋中，庞大的油轮如同巨鲸般穿梭于各大港口之间，承载着全球能源贸易的重任。然而，这些海上巨兽也面临着巨大的能源消耗和环境压力。如何在保证运输效率的同时实现节能减排，成为航运业面临的一大挑战。

近日，一项融合了仿生学和材料科学的创新技术——螺旋桨仿生蒙皮材料，为这一难题带来了突破性的解决方案。这项由中国科学院宁波材料技术与工程研究所等机构联合研发的技术，正在为超大型油轮开辟一条更加绿色、高效的航道。

宽吻海豚（Tursiops truncatus）又称瓶鼻海豚，是最常见且最为人熟知的海豚。

图片来源：维基百科

仿生智慧：海豚“皮肤”螺旋桨

自然界中，海豚以其流线型的身体和高效游动的能力而闻名。科学家们长期以来一直对海豚的游泳机制充满好奇，特别是对它们如何在高速游动中保持低能耗感兴趣。经过深入研究，科学家们发现海豚皮肤具有独特的物理和化学特性，这些特性使得海豚在水中高速游动时能够大大减少水的阻力。

海豚皮肤的特殊性主要体现在其微观结构和生理特性上。

首先，海豚皮肤表面并非光滑平整，而是由无数微小的脊状结构组成。这些细小的脊状结构能够在海豚游动时产生微小的涡流，这些涡流形成了一层薄薄的“气垫”，有效减少了水与皮肤之间的直接接触面积，从而降低了摩擦阻力。

其次，海豚皮肤具有独特的弹性和柔韧性，能够随着水流的变化而变形，进一步优化了水流模式。更为神奇的是，海豚皮肤能够分泌一种特殊的黏液，这种黏液不仅能够填充皮肤表面的微小沟壑，使其表面更加光滑，还具有一定的抗菌性，防止藻类等微生物在皮肤上生长，保持自身皮肤表面的洁净和低阻力状态。

这些特性的综合作用，使得海豚能够以较低的能量消耗在水中高速游动。

受此启发，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的科研团队开始尝试将海豚皮肤的特性应用于船舶技术。他们的目标是创造一种能够模仿海豚皮肤特性的人造材料，并将其应用于船舶最关键的部件之一——螺旋桨。这种被称为“仿生蒙皮”的材料，通过精密的人工合成方法制备而成，不仅具有类似海豚皮的物理结构，还模拟了海豚皮肤的化学特性。

海豚皮肤与螺旋桨仿生蒙皮示意图。

图片来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所

研究团队面临的挑战不仅仅是制造出这种材料，还包括如何将其有效应用于巨型油轮的螺旋桨表面。这需要考虑材料的耐久性与螺旋桨的兼容性，以及在海水环境中长期使用的稳定性等多个因素。经过反复试验和优化，科研人员最终成功开发出一种既能模拟海豚皮肤特性，又适合应用于船舶螺旋桨的仿生蒙皮材料。

在模仿海豚皮肤特性时，研究人员特别关注了几个关键方面：

首先，他们在材料表面设计了微观的脊状结构，模拟海豚皮肤表面的特殊纹理，从而达到减少水阻的效果。

其次，他们选用了具有一定弹性和柔韧性的高分子材料，使得仿生蒙皮能够在水流冲击下略微变形，优化水流模式。

最后，他们在材料中添加了特殊的化学成分，使其表面能够形成一层类似海豚皮肤分泌物的保护层，不仅能降低摩擦，还能防止海洋生物附着，保持表面清洁。

技术突破：实船应用

这项创新技术的重大突破在于它首次成功应用于30万吨级超大型油轮（VLCC）。这类油轮是当今海上运输中最大、最复杂的船舶之一，其能源消耗和环境影响也最为显著。因此，在如此大型的船舶上成功应用仿生技术，具有里程碑式的意义。

首艘安装仿生蒙皮螺旋桨的超大型油轮（VLCC）已经完成了三个航次的原油运输任务，航行时间近200天，航程超过3.5万海里。这艘巨轮的航线横跨中国沿海和中东各大港口，经历了不同海域的复杂环境考验。

在实际应用前，这种船用仿生柔性减阻材料通过了严格的产品认证，确保其符合各项环境保护国际公约的相关要求。

这次长期、大范围的实船应用不仅验证了技术的可行性，还为科研人员提供了宝贵的实际运行数据。通过这些数据，研究人员能够全面评估仿生蒙皮材料在不同海况、不同航线下的表现，为进一步优化和推广这项技术奠定坚实的基础。

超大型油轮进船坞（上）；螺旋桨蒙皮敷设过程（下左）；仿生蒙皮螺旋桨（下右）。图片来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所

显著成效：节能减排

仿生蒙皮技术在实际应用中展现出令人瞩目的节能减排效果。根据实船油耗数据分析，螺旋桨表面敷设仿生蒙皮后，船舶的燃油消耗降低了约2%。这个看似微小的数字，在超大型油轮（VLCC）的运营中却意味着巨大的经济和环境效益。

研究人员预计，在材料的生命周期（约2.5年）内，这项技术可以实现平均约1.5%的综合节能效果。这一数据的重要性体现在以下几个方面：

首先，从经济效益的角度来看，一艘超大型油轮（VLCC）每年可以节省300吨以上的燃油，直接经济效益超过100万元。在国际油价波动频繁的背景下，这种燃油节省不仅能够显著降低运营成本，还能提高航运公司的市场竞争力。

其次，从环境保护的角度来看，每艘应用这项技术的超大型油轮（VLCC）每年可以减少900吨以上的二氧化碳排放。考虑到全球航运业的规模，如果这项技术能够广泛应用，其累积的减排效果将对全球气候变化的缓解产生积极影响

此外，这项技术的节能效果还体现在提高了螺旋桨的推进效率上。船舶航行时，能源消耗主要用于驱动螺旋桨产生推力，以克服船体与水之间的阻力。通过降低水与螺旋桨表面之间的摩擦，仿生蒙皮材料使得螺旋桨能够以更少的能量输入产生相同的推力，从而提高整个推进系统的效率。

值得一提的是，这些节能减排效果是在实际海况下获得的，反映了技术在真实环境中的表现。这不仅证明了技术的实用性，也为未来进一步优化和推广该项技术提供了可靠的依据。

大型船舶螺旋桨。图片来源：维基百科

未来展望：行业革新

仿生蒙皮技术在首艘超大型油轮（VLCC）上的成功应用，仅仅是这项创新技术发展的开始。基于已取得的显著成效，中国科学院宁波材料所等单位已经制定了更加宏大的推广计划。

首先，双方计划将这项减阻材料技术推广至全行业。这意味着更多的超大型油轮将受益于这项技术，累积的节能减排效果将会更加显著。这不仅能为航运公司带来可观的经济效益，也将大幅降低整个船队的碳排放，助力航运业的绿色转型。

其次，研究团队正在探索将这项技术应用于其他类型船舶的可能性。不同类型的船舶面临不同的航行条件和挑战，因此需要对仿生蒙皮材料进行相应的调整和优化。例如，高速客轮可能需要更注重材料的抗冲刷性能；而在极地航行的破冰船则可能需要增强材料的耐低温性能。

更进一步，这项技术有望向远洋及内河运输等全行业推广应用。这将涉及更广泛的适应性研究，以确保技术能够在不同水域、不同气候条件下保持良好的性能。同时，还需要考虑如何降低技术成本，使其对中小型船舶同样具有经济可行性。

此外，仿生蒙皮技术的成功也为其他船舶部件的优化提供了新的思路。研究人员正在探索将类似的仿生原理应用于船体、舵等其他与水直接接触的部位，以进一步提高船舶的整体效率。

最后，这项技术的发展也促进了相关标准和规范的制定。随着技术的推广，有关部门需要制定相应的技术标准和应用指南，以确保技术的安全应用。这不仅有利于技术的规范化推广，也将推动整个行业的技术进步。

参考文献

[1]张渺，科学家研制螺旋桨仿生蒙皮材料，助力超大型油轮节能增效

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出品丨科普中国

作者丨可可 科普创作者

监制丨中国科普博览

责编丨董娜娜

审校丨徐来 林林