今天小編分享的科學經驗：最新突破！我國科學家研發螺旋槳仿生蒙皮新材料，油輪油耗大幅下降，歡迎閱讀。
在浩瀚的海洋中，龐大的油輪如同巨鲸般穿梭于各大港口之間，承載着全球能源貿易的重任。然而，這些海上巨獸也面臨着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現節能減排，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，特别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，海豚皮膚表面并非光滑平整，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，能夠随着水流的變化而變形，進一步優化了水流模式。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淨和低阻力狀态。
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将海豚皮膚的特性應用于船舶技術。他們的目标是創造一種能夠模仿海豚皮膚特性的人造材料，并将其應用于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，通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，還模拟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，還包括如何将其有效應用于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兼容性，以及在海水環境中長期使用的穩定性等多個因素。經過反復試驗和優化，科研人員最終成功開發出一種既能模拟海豚皮膚特性，又适合應用于船舶螺旋槳的仿生蒙皮材料。
在模仿海豚皮膚特性時，研究人員特别關注了幾個關鍵方面：
首先，他們在材料表面設計了微觀的脊狀結構，模拟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衝擊下略微變形，優化水流模式。
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着，保持表面清潔。
技術突破：實船應用
這項創新技術的重大突破在于它首次成功應用于 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應用仿生技術，具有裡程碑式的意義。
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 萬海裡。這艘巨輪的航線橫跨中國沿海和中東各大港口，經歷了不同海網域的復雜環境考驗。
在實際應用前，這種船用仿生柔性減阻材料通過了嚴格的產品認證，确保其符合各項環境保護國際公約的相關要求。
這次長期、大範圍的實船應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運行數據。通過這些數據，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，為進一步優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應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%。這個看似微小的數字，在超大型油輪（VLCC）的運營中卻意味着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）内，這項技術可以實現平均約 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運營成本，還能提高航運公司的市場競争力。
其次，從環境保護的角度來看，每艘應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應用，其累積的減排效果将對全球氣候變化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，能源消耗主要用于驅動螺旋槳產生推力，以克服船體與水之間的阻力。通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，也為未來進一步優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）上的成功應用，僅僅是這項創新技術發展的開始。基于已取得的顯著成效，中國科學院寧波材料所等部門已經制定了更加宏大的推廣計劃。
首先，雙方計劃将這項減阻材料技術推廣至全行業。這意味着更多的超大型油輪将受益于這項技術，累積的節能減排效果将會更加顯著。這不僅能為航運公司帶來可觀的經濟效益，也将大幅降低整個船隊的碳排放，助力航運業的綠色轉型。
其次，研究團隊正在探索将這項技術應用于其他類型船舶的可能性。不同類型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優化。例如，高速客輪可能需要更注重材料的抗衝刷性能；而在極地航行的破冰船則可能需要增強材料的耐低溫性能。
更進一步，這項技術有望向遠洋及内河運輸等全行業推廣應用。這将涉及更廣泛的适應性研究，以确保技術能夠在不同水網域、不同氣候條件下保持良好的性能。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優化提供了新的思路。研究人員正在探索将類似的仿生原理應用于船體、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标準和規範的制定。随着技術的推廣，有關部門需要制定相應的技術标準和應用指南，以确保技術的安全應用。這不僅有利于技術的規範化推廣，也将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
策劃制作
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
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