3D科學谷洞察

把“鳥羽”搬進工廠：用 3D 打印+自組織兩步法，首次在賽車尾翼、高爾夫球等實物上做出“宏觀可設(shè)計、微觀自適應”的多尺度褶皺，顯著減阻、提效，有望重塑汽車與運動器材的空氣動力學設(shè)計范式?！?/p>

近日，李甜甜博士在《Matter》期刊發(fā)表最新研究成果，提出一種融合3D打印與自組織機制的“多尺度褶皺結(jié)構(gòu)”策略，可在賽車尾翼和高爾夫球等實際應用中提高空氣動力學性能、降低阻力、提升能效。該策略受鳥類羽毛多尺度流動調(diào)控機制啟發(fā)，開發(fā)出從宏觀設(shè)計到微觀自適應的多尺度結(jié)構(gòu)構(gòu)建路徑，在運動、交通等領(lǐng)域展示出廣闊應用前景。

圖1： 多尺度褶皺結(jié)構(gòu)實現(xiàn)氣流調(diào)控的策略

在自然界中，鳥類羽毛和鯊魚皮等結(jié)構(gòu)通過復雜的多尺度設(shè)計，實現(xiàn)了對流體的巧妙調(diào)控，具備優(yōu)異的減阻增穩(wěn)能力。盡管受到這些自然界“空氣動力大師”的啟發(fā)，人工材料想要實現(xiàn)類似的多尺度流動調(diào)控效果，卻面臨著制造復雜、尺度耦合難、加工成本高等諸多難題。

為解決這一挑戰(zhàn)，美國康涅狄格大學Luyi Sun教授聯(lián)合上海交通大學姜學松教授、普渡大學Dianyun Zhang教授等團隊，提出了一種“3D打印+自組織”協(xié)同策略，用于構(gòu)建多尺度褶皺結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅能像羽毛一樣充當氣流擾動源，還能在不同尺度上調(diào)控渦旋形成與壓力分布，實現(xiàn)流動路徑延長、近壁速度提升、尾渦減弱，從而大幅提升空氣動力學性能。(圖1)

圖2：3D打印結(jié)合自組織策略構(gòu)筑多尺度褶皺結(jié)構(gòu)。

研究團隊以蒽基修飾的彈性體材料為基底，通過直接墨水書寫（DIW）3D打印技術(shù)構(gòu)建宏觀框架結(jié)構(gòu)，并在后續(xù)紫外光照射和熱處理過程中誘導表面微觀褶皺的自發(fā)形成。這種自組織過程受界面邊界條件、交聯(lián)梯度、應力釋放等多重因素控制，可實現(xiàn)微褶皺形貌的精確可調(diào)。（圖2）

例如，通過改變打印噴嘴直徑與排布方式，研究者獲得了從無序隨機到有序排列的不同類型褶皺結(jié)構(gòu)；進而將其組合至雙層架構(gòu)中，實現(xiàn)在網(wǎng)格線中形成大尺度渦旋、在褶皺中形成微尺度擾流區(qū)的“協(xié)同渦結(jié)構(gòu)”。（圖3）

圖3：多尺度褶皺結(jié)構(gòu)的空氣動力學性能。

圖4：通過多尺度褶皺結(jié)構(gòu)實現(xiàn)賽車和高爾夫球的空氣動力學優(yōu)化。

空氣動力學性能測試結(jié)果顯示，這些仿生褶皺結(jié)構(gòu)可有效提升近壁氣流速度、降低表面壓力、增強附著力，從而產(chǎn)生升力或下壓力。更令人驚喜的是，該技術(shù)在實際應用中展現(xiàn)出強大潛力。研究人員將這種褶皺結(jié)構(gòu)集成于賽車尾翼的下表面，通過調(diào)整攻角，實現(xiàn)了“更強下壓力+更小阻力”的雙贏空氣動力表現(xiàn)。（圖4）

除了賽車，研究團隊還嘗試將褶皺膜層粘附于高爾夫球表面，形成“球面凹坑+微褶皺”的復合多尺度結(jié)構(gòu)。在利用無人機仿照伽利略斜塔實驗設(shè)計的自由下落測試中，加入褶皺的高爾夫球在5米與60米高度測試中，均比商用球更早落地。60米下落測試中，加入褶皺的高爾夫球提前0.89米落地，具有明顯的減阻效果。（圖4）

通過模擬計算，研究者進一步證實，褶皺結(jié)構(gòu)在減弱尾渦、推遲流動分離、穩(wěn)定流場等方面具有重要作用。而且，當與傳統(tǒng)凹坑結(jié)構(gòu)疊加使用時，表現(xiàn)出明顯的協(xié)同增效。相較傳統(tǒng)高爾夫球，添加褶皺結(jié)構(gòu)可額外降低4.4%的阻力。

該研究不僅在基礎(chǔ)科學層面推動了多尺度自組織結(jié)構(gòu)與復雜流動調(diào)控的交叉融合，更為現(xiàn)實世界中的氣動結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了全新設(shè)計思路與技術(shù)支撐。其低成本、高可控性與廣適應性的特點，特別適用于如汽車擾流板、運動器材等領(lǐng)域。

綜上所述，李甜甜等人提出的“3D打印+自組織”構(gòu)建多尺度褶皺結(jié)構(gòu)的新策略，成功突破了仿生氣動結(jié)構(gòu)制造的技術(shù)壁壘，實現(xiàn)了在宏微尺度結(jié)構(gòu)集成、可控調(diào)控與功能協(xié)同方面的重大進展。該策略不僅提升了空氣動力學性能，更展現(xiàn)出在節(jié)能交通、運動裝備等多領(lǐng)域的廣闊應用潛力。

Tiantian Li et al. “Hierarchical wrinkled structures via 3D printing and self-organization for energy-efficient transport”

https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102345

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