在浩瀚的海洋中，龐大的油輪如同巨鯨般穿梭於各大港口之間，承載著全球能源貿易的重任。然而，這些海上巨獸也面臨著巨大的能源消耗和環境壓力。如何在保證運輸效率的同時實作節能減排，成為航運業面臨的一大挑戰。
近日，一項融合了仿生學和材料科學的創新技術——螺旋槳仿生蒙皮材料，為這一難題帶來了突破性的解決方案。 這項由中國科學院寧波材料技術與工程研究所等機構聯合研發的技術，正在為超大型油輪開辟一條更加綠色、高效的航道。
寬吻海豚（Tursiops truncatus）又稱瓶鼻海豚，是最常見且最為人熟知的海豚。
圖片來源：維基百科
仿生智慧：海豚「皮膚」螺旋槳
自然界中，海豚以其流線型的身體和高效遊動的能力而聞名。科學家們長期以來一直對海豚的遊泳機制充滿好奇，特別是對它們如何在高速遊動中保持低能耗感興趣。經過深入研究，科學家們發現海豚皮膚具有獨特的物理和化學特性，這些特性使得海豚在水中高速遊動時能夠大大減少水的阻力。
海豚皮膚的特殊性主要體現在其微觀結構和生理特性上。
首先，海豚皮膚表面並非光滑平整，而是由無數微小的脊狀結構組成。 這些細小的脊狀結構能夠在海豚遊動時產生微小的渦流，這些渦流形成了一層薄薄的「氣墊」，有效減少了水與皮膚之間的直接接觸面積，從而降低了摩擦阻力。
其次，海豚皮膚具有獨特的彈性和柔韌性，能夠隨著水流的變化而變形，進一步最佳化了水流模式。 更為神奇的是，海豚皮膚能夠分泌一種特殊的黏液，這種黏液不僅能夠填充皮膚表面的微小溝壑，使其表面更加光滑，還具有一定的抗菌性，防止藻類等微生物在皮膚上生長，保持自身皮膚表面的潔凈和低阻力狀態。
這些特性的綜合作用，使得海豚能夠以較低的能量消耗在水中高速遊動。
受此啟發，中國科學院寧波材料技術與工程研究所的科研團隊開始嘗試將海豚皮膚的特性套用於船舶技術。他們的目標是創造一種能夠模仿海豚皮膚特性的人造材料，並將其套用於船舶最關鍵的部件之一——螺旋槳。 這種被稱為「仿生蒙皮」的材料，透過精密的人工合成方法制備而成，不僅具有類似海豚皮的物理結構，還模擬了海豚皮膚的化學特性。
海豚皮膚與螺旋槳仿生蒙皮示意圖。
圖片來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所
研究團隊面臨的挑戰不僅僅是制造出這種材料，還包括如何將其有效套用於巨型油輪的螺旋槳表面。這需要考慮材料的耐久性與螺旋槳的相容性，以及在海水環境中長期使用的穩定性等多個因素。經過反復試驗和最佳化，科研人員最終成功開發出一種既能模擬海豚皮膚特性，又適合套用於船舶螺旋槳的仿生蒙皮材料。
在模仿海豚皮膚特性時，研究人員特別關註了幾個關鍵方面：
首先，他們在 材料表面設計了微觀的脊狀結構 ，模擬海豚皮膚表面的特殊紋理，從而達到減少水阻的效果。
其次，他們選用了具有 一定彈性和柔韌性的高分子材料 ，使得仿生蒙皮能夠在水流沖擊下略微變形，最佳化水流模式。
最後，他們 在材料中添加了特殊的化學成分 ，使其表面能夠形成一層類似海豚皮膚分泌物的保護層，不僅能降低摩擦，還能防止海洋生物附著，保持表面清潔。
技術突破：實船套用
這項創新技術的重大突破在於它首次成功套用於30萬噸級超大型油輪（VLCC）。 這類油輪是當今海上運輸中最大、最復雜的船舶之一，其能源消耗和環境影響也最為顯著。因此，在如此大型的船舶上成功套用仿生技術，具有裏程碑式的意義。
首艘安裝仿生蒙皮螺旋槳的超大型油輪（VLCC）已經完成了三個航次的原油運輸任務，航行時間近200天，航程超過3.5萬海裏。這艘巨輪的航線橫跨中國沿海和中東各大港口，經歷了不同海域的復雜環境考驗。
在實際套用前，這種船用仿生柔性減阻材料透過了嚴格的產品認證，確保其符合各項環境保護國際公約的相關要求。
這次長期、大範圍的實船套用不僅驗證了技術的可行性，還為科研人員提供了寶貴的實際執行數據。透過這些數據， 研究人員能夠全面評估仿生蒙皮材料在不同海況、不同航線下的表現，為進一步最佳化和推廣這項技術奠定堅實的基礎。
超大型油輪進船塢（上）；螺旋槳蒙皮敷設過程（下左）；仿生蒙皮螺旋槳（下右）。圖片來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所
顯著成效：節能減排
仿生蒙皮技術在實際套用中展現出令人矚目的節能減排效果。根據實船油耗數據分析， 螺旋槳表面敷設仿生蒙皮後，船舶的燃油消耗降低了約2%。 這個看似微小的數位，在超大型油輪（VLCC）的營運中卻意味著巨大的經濟和環境效益。
研究人員預計，在材料的生命周期（約2.5年）內，這項技術可以實作平均約1.5%的綜合節能效果。這一數據的重要性體現在以下幾個方面：
首先，從經濟效益的角度來看， 一艘超大型油輪（VLCC）每年可以節省300噸以上的燃油，直接經濟效益超過100萬元。在國際油價波動頻繁的背景下，這種燃油節省不僅能夠顯著降低營運成本，還能提高航運公司的市場競爭力。
其次，從環境保護的角度來看， 每艘套用這項技術的超大型油輪（VLCC）每年可以減少900噸以上的二氧化碳排放。考慮到全球航運業的規模，如果這項技術能夠廣泛套用，其累積的減排效果將對全球氣候變遷的緩解產生積極影響
此外，這項技術的節能效果還體現在提高了螺旋槳的推進效率上。 船舶航行時，能源消耗主要用於驅動螺旋槳產生推力，以克服船體與水之間的阻力。透過降低水與螺旋槳表面之間的摩擦，仿生蒙皮材料使得螺旋槳能夠以更少的能量輸入產生相同的推力，從而提高整個推進系統的效率。
值得一提的是，這些節能減排效果是在實際海況下獲得的，反映了技術在真實環境中的表現。這不僅證明了技術的實用性，也為未來進一步最佳化和推廣該項技術提供了可靠的依據。
大型船舶螺旋槳。圖片來源：維基百科
未來展望：行業革新
仿生蒙皮技術在首艘超大型油輪（VLCC）上的成功套用，僅僅是這項創新技術發展的開始。基於已取得的顯著成效，中國科學院寧波材料所等單位已經制定了更加宏大的推廣計劃。
首先，雙方計劃將這項減阻材料技術推廣至全行業。 這意味著更多的超大型油輪將受益於這項技術，累積的節能減排效果將會更加顯著。這不僅能為航運公司帶來可觀的經濟效益，也將大幅降低整個船隊的碳排放，助力航運業的綠色轉型。
其次，研究團隊正在探索將這項技術套用於其他型別船舶的可能性。 不同型別的船舶面臨不同的航行條件和挑戰，因此需要對仿生蒙皮材料進行相應的調整和最佳化。例如，高速客輪可能需要更註重材料的抗沖刷效能；而在極地航行的破冰船則可能需要增強材料的耐低溫效能。
更進一步，這項技術有望向遠洋及內河運輸等全行業推廣套用。 這將涉及更廣泛的適應力研究，以確保技術能夠在不同水域、不同氣候條件下保持良好的效能。同時，還需要考慮如何降低技術成本，使其對中小型船舶同樣具有經濟可行性。
此外，仿生蒙皮技術的成功也為其他船舶部件的最佳化提供了新的思路。 研究人員正在探索將類似的仿生原理套用於船體、舵等其他與水直接接觸的部位，以進一步提高船舶的整體效率。
最後，這項技術的發展也促進了相關標準和規範的制定。 隨著技術的推廣，有關部門需要制定相應的技術標準和套用指南，以確保技術的安全套用。這不僅有利於技術的規範化推廣，也將推動整個行業的技術進步。
參考文獻
[1]張渺，科學家研制螺旋槳仿生蒙皮材料，助力超大型油輪節能增效
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出品丨科普中國
作者丨可可 科普創作者
監制丨中國科普博覽
責編丨董娜娜
審校丨徐來 林林
