科技论文翻译

的减阻效果（Bechert 等人，1985） 贴在刚性平板上短尾真鲨皮肤的硅胶仿制品与平滑硅胶材料的刚性平板相 比较，会产生 5.2-8.3%的减阻效果。一种硬质塑料的鲨鱼皮仿制品能够获得 3% 的减阻效果（Bechert 等人，1985）。但是这些例证的研究都是与覆盖仿生鱼皮 的刚性板有关， 而运动中的鲨鱼身体波动会改变皮肤周围的流场特性，这两种状 况是不同的。另外，对于仿生鲨鱼皮材料的泳衣 Speedo® FSII 的多种测试表明， 在相同条件下，相比于附着普通泳衣的刚性体，它能够有 7.7%（Benjanuvatra 等 人，2002）和 10-15%（Mollendorf 等人，2004）的减阻效果，但是其他一些研 究或测试认为并没有明显的减阻效果 （Benjanuvatra 等人， 2002; Toussaint 等人， 2002） 由于鲨鱼是自主驱动实现摆动身体的，因此推力和阻力是很难拆分的 （Anderson 等人，2001；Schultzand Webb，2002；Tytell， 2007；Tytell 等人， 2010） ， 这就使得在自由游动过程中很难把阻力单独孤立出来去评估表面纹路的 减阻效果。 为了研究不同表面纹路可能存在的减阻效果，比如鲨鱼皮细齿状的纹 路或多样的仿生产品的纹路（或者是否表面构造可能加强推进力），百度文库用一个研 究平台需要达到如下效果（1）使用拥有不同表面纹路的自推进机体，使得在一 个波动周期内，推进力和阻力自然地平衡，（2）精确测量自推进的游速，使能 够统计比较不同表面游动的性能特性，（3）能够加载不同运动程序，使能够评 估不同纹路的表面在不同游动方式下的效果，和（4）表面构造的多种实验操作 是能够直接检测是否减阻效果和游速的增加仅仅是表面纹路不同的缘故。 在本文中， 我们运用一个机械的薄板拍动装置测试鲨鱼皮表面纹路和两个仿生材 料表面在自推进游速下的效果。 该机械的薄板拍动装置可以实现刚性和柔性薄板 像鱼一样自推进的方式， 还能够精确地测量自由游动的速度，运动控制程序实现 薄板在多样的升沉和俯仰条件下运动（Lauder等人，2007；Lauder等人，2011a； Lauder 等人， 2011b)， 和运用数字粒子图像测速技术定量测量薄板表面的流速。 我们运用新鲜的鲨鱼皮制成刚性的和柔性的薄板， 也研究了两种制成的模拟鲨鱼 皮的推进性能研究。在每种情况下我们直接验证如下假设：在可控条件下，与少 量纹路或者没有纹路的表面相比较，拥有纹路的表面对游速有促进作用。 材料和方法 拍动板材料 我们用三种不同表面材料制成的薄板安装到机械的拍动装置上，这三种材 料分别是：快速表皮Speedo®FSII面料，沟纹材料，真正的鲨鱼皮。制作出运用快 速表皮Speedo®FSII面料制成的柔性板（英国诺丁汉国际公司Speedo®提供）。两 个矩形材料块（20× 7cm）用喷雾胶（美国俄亥俄州汉罗公司杜罗胶）粘合在一 起，用金属支撑条水平向和垂直向分别夹紧（由两个0.15 × 1 × 28cm矩形金属
鲨鱼皮的流体动力学特性和两个仿生鲨鱼皮的应用 Johannes Oeffner and George V. Lauder* 美国马萨诸塞州剑桥城牛津街 26 号哈佛比较动物学博物馆 *通讯作者(glauder@oeb.harvard.edu) 摘要：长期以来人们一直认为鲨鱼皮肤上的细齿在运动过程中起着减阻的作用， 而且， 许多人造的材料运用类似鲨鱼皮表面的粗糙度达到游动过程中减阻的效果。 但是没有确切的数据表明在游速动态可控下的减阻效果， 还有鲨鱼皮和仿生材料 与那些没有表面纹路或者不同方向表面纹路进行定量地比较。 我们运用一个机械 装置的波动板， 它能够精确地控制包括采用鲨鱼皮和两个鲨鱼皮仿生模型的刚性 或柔性薄膜类平板的自推进游动速度达到运动性能测试的目的。 我们研究如下几 种自行式的速度：真正鲨鱼皮的，带有均匀脊线的硅胶脊状材料，粘贴到刚性平 板上的仿鲨鱼泳衣面料 Speedo®（品牌名），和制成柔性膜结构的薄片。我们发 现， 应用 Speedo®面料在游速上没有稳定的增长， 带沟纹的材料游速增长了 7.2%， 而鲨鱼皮薄膜（不是刚性鱼皮板）与去掉表面细齿的同样材料相比较，平均游速 快了 12.3%。鲨鱼皮薄膜表面的细齿对减阻效果是如此关键。运动的鲨鱼皮薄板 周围的流场的数字粒子图像测速表明皮肤上的细齿可以增加前缘吸力， 这样或许 对观测到的游动增速起作用。 因此鲨鱼皮上的细齿可能加强推力也有减阻的效果。 关键字：鲨鱼皮，运动，沟纹，减阻作用，薄片，游动，快速表皮。 引言 在近数十年里，鲨鱼的表皮已经在科学普及和研究领域拥有重要的仿生学 地位，因为一种观点认为，这种独特的表皮结构能够在运动中减阻和提高效率。 已制成的紧身衣非常接近地模仿带有脊线和凹痕的鲨鱼皮， 增加了表面的粗糙度， 据称能够提高人类的游动性能， 而且研究人员认为鲨鱼皮表面的特殊构造有利于 游动效率的提高。 [鲨鱼皮的构造已经被全面的探讨 （例如 Applegate， 1967； Lang 等人， 2008； Reif， 1982; Reif， 1985） ； 也可以在 Castro 上看图片 （Castro， 2011） ]。 多种受鲨鱼启发设计的材料应用到水下实体的表面达到减阻的目的。例如， 沟纹是非常好的肋板表面， 它能够在平行或垂直的流动方向上保持对称，带来减 阻效果。多样的沟纹形状和尺寸已经在实验中和理论中被研究（ Bechert and Bartenwerfer， 1989； Bechert 等人，2000; Bechert 等人， 1997； Büttner and Schulz， 2011；Koeltzsch 等人，2002；Luchini 等人，1991；Luchini and Trombetta，1995； Neumann and Dinkelacker，1991）而且覆盖有沟纹的刚性板已经被证明有减阻效 果(Bechert 等人，1997；Bechert 等人，1985；Dinkelacker 等人，1987)。运用可 调节的纵向片状的凸起和狭缝进行的试验表明： 凹下部分的深度是侧面沟纹间隔 尺寸的一半时，刚性体会有最大的减阻效果达 9.9%（Bechert 等人，1997）。有 些类似于鲨鱼皮上细齿的脊线，带有圆齿状的沟纹在刚性体上最大产生接近 7%
表面成像 在本文中，应用环境扫描电子显微镜（ESEM）在真空中拍摄干燥的裹膜金 属板样品的高分辨率图像。解剖下来的表皮用软毛机械地刷干净，接着放入超声 波清洗器中清洁两分钟。接着放入6%的次氯酸钠（NaOCl）溶液中进行化学处理 30s，以清除全部黏液。在最终用带有一定压力的自来水冲洗前，以上步骤均重 复3次。湿的表皮样本在轻微的压力下干燥24h。所有的表皮样品顺着表皮提取 0.5cm用于薄板上（见图2,3）。对于从沟纹材料和Speedo®面料中取下的仿生材 料，包括前表面、下表面和横断面在环境扫描电子显微镜下均可见。这些表皮样 本应用一种镀膜仪 （英国Cressington科学仪器208HR） 均匀地包裹在铂钯合金中。 尽管这里用于薄板组织的，从鱼体中线区域取下足量的单一的表皮，但是 我们也拍摄了身体其他部位多样的表皮细齿结构。 鱼体中线附近的三种基本表皮 纹路（见图6）与鱼体尾巴和鳍片上的组织结构类似。头部细齿的形态学与鱼体 上细齿的结构完全不同。 为了估计鲨鱼皮薄板的浸水面积，我们测量了单个细齿的表面积，接着用 1mm2 内鲭鲨表皮细齿的数量推测出总浸湿表面积的近似细齿数。
图1:该机械的拍动板装置用于测试鲨鱼皮和仿生材料的流体动力学特性。 表 面粘有沟纹材料或鲨鱼皮的刚性（f）和柔性薄板用挡板轴（fs）夹紧侵入到流动 的水池中。机械运动由安装在空气轴承（c）上一个升沉电机（hm）和一个俯仰 电机（pm）驱动，因此平衡位置只依赖于电缆（c）的控制。由该测试的说明书 知， 所有的测试在平衡位置 （更多细节见Lauder 等人， 2007; Lauder， 2011a; Lauder， 2001b）均没有电缆效应。调整水槽流速使其与拍动板的推进力相匹配，以获得 自主推进速度。保险杆（b）用来限制最大的变形量。注意到该装置可以分别驱
棒组成，其中一个相同的如图3所示）。每种板加工三次。其中两个Speedo®板， 带有凹痕结构的面料分别水平和垂直接触流体，最后一个板，光滑的内侧面（非 仿生面）接触流体。 平均厚度为1mm的橡胶沟纹膜通过浇筑在透镜板上的硅树脂制成，形成高 87μm间隔340μm的U形沟纹结构 （见图7） 。 橡胶沟纹膜用胶水粘到弦长为6.85cm 总长度为19cm的NACA0012金属翼型板。每个板制3次。其中两个薄板，外部沟纹 材料（仿生学材料，见图7A）接触流体，凹痕结构分别平行（沟纹的正常方向） 和垂直于游动方向实验。 第三个薄板， 光滑的内侧面 （非仿生学表面） 接触流体。 刚性的和柔软的鲨鱼皮薄板由体长为190cm的雄性尖吻鲭鲨和体长为 155cm的雄性鼠鲨的表皮制成。这两个种类都是高速游动的鲨类[依据(Reif, 1985) 的分类]。每个个体都是从美国马萨诸塞州波士顿渔民捕获中立即得到的，而且 在我们首次移除表皮时并没有冷冻。表层皮肤由解剖一起提取，用喷水管移除在 捕获和运输中表面粘的杂质。 用单刃剃须刀片机械地挂掉附着在皮肤下面的肌肉 纤维，形成一个皮肤膜，使得它能够贴在不论柔性或刚性的薄板上，制成表面纹 路接触流体的二层弹性皮肤膜。 刚性鲨鱼皮薄板由6.5×17.5cm，平均厚度在3mm的鲨鱼皮使用薄薄一层商 用的氰基丙烯酸盐粘合剂贴合在3.1×6.8×19cm的平板上制成，鲨鱼皮是沿尖吻 鲭鲨背鳍纵向侧面取下来的。鲨鱼皮的细齿脊线与薄板弦长方向一致。直径为 8.17cm的半圆形空心金属条粘在薄板长度方向上的边缘， 以获得平滑的前缘和尾 缘。鲭鲨金属薄板（见图2）未覆盖的顶部（宽度为1.5cm）与金属支撑板连接。 对称的金属平板可以使实验人员仅仅通过反转机械挡板上金属板的方向就可以 获得两个实验方向：细齿顶端指向下流方向，即顺流；细齿对着来流方向，即逆 流。 三个弹性的鲨鱼皮膜板制成如下： 两个尖吻鲭鲨的表皮(编号1和编号2)和另 一个是鼠鲨的表皮。每个薄板上，6.4×9.2cm的矩形皮肤块取自鱼体中线10cm以 上的尾鳍侧面连在一起的部分。表皮膜用两个矩形的金属条（0.15×1×28cm） 夹紧，使得细齿的沟纹能够与弦长方向平行布置，即细齿的尖端顺着流向（见图 3）—与游动中的鲨鱼细齿的布置方式一直。前缘由环氧树脂密封，形成一个逐 渐凸起的前缘，起到防止粘贴上的膜脱落的目的。 在完成自行式的整个金属板的测量后， 接着用湿砂纸 （材料为铝的氧化物） 在显微镜下小心地打磨每张鲨鱼皮表面的细齿， 以此来试验减少鲨鱼皮表面细齿 这一控制对象的性能。我们尝试了许多去除细齿的方法，但是没有一种比在显微 镜下细致打磨更有效。 我们避免了用化学方法去除细齿，以免影响表皮的抗弯刚 度。尽管这种方法不能彻底地去除细齿，残留有细齿的小块基质，但是更有效的 细齿去除方法会损伤表皮。砂纸打磨不移除皮肤的上表面。
动两个薄板， 但是在实验中只安装一个用于测试。 这里所见的刚性板高度为19cm， 弦长6.85cm（见图2），但是实验的 薄膜板是不同的形状（见文章和图3 的描述）。 图2： 带有半球形的前缘和尾部 平板用来自雄性尖吻鲭鲨体侧中线 附近的鱼皮覆盖。黑的颜色表皮从 鲨鱼侧表面提取，而白的说明来源 于鲨鱼皮腹部。该薄板宽7.22cm长 19cm （覆盖鲨鱼皮的长度为17.5cm） 。 图右侧分布着尖吻鲭鲨不同结构的 表皮。 环境扫描电子显微镜 （ESEM） 分别从薄板右侧的上 （ A） 、 偏上 （B ） 、 中（C）、偏下（D）、下（E）几个 区域截取0.5cm长度进行拍摄。比例 尺为200μ m。在图中，细齿的前缘 在左侧，水流的方向为自左向右。 图3：左侧：编号为1的柔性 鲭鲨鱼皮膜。 两个侧面连接的表皮 （长6.4cm宽9.2cm） 均是由雄性尖 吻鲭鲨身体中线以上 10cm 处获得， 距膜下端2.5cm处有复合支撑板夹 紧。右侧：该鲭鲨膜板表皮结构的 分布。 环境扫描电子显微镜分别从 膜板的上（A）中（B）下（C）部 位顺流方向取0.5cm的区域拍照。 蓝色的箭头代表测试中水流的方 向。比例尺100μ m。 图4： 来自窄头双髻鲨身体中表皮细齿 的环境扫描电子显微镜近景图像，显示出 三个典型的表皮细齿纹路和三个后方爪尖。 这些细齿纹路在身体、鳍片以及尾部是一 致的，而头部有不同的细齿形态。比例尺 50μ m。