你想試試新款海貍潛水服嗎？

材料牛注：受海貍這種毛茸茸的哺乳動物的啟發，麻省理工學院的研究者們設計出一種新式的潛水服，并成功探索了其內在的機理，是不是很好玩？快來跟小編一探究竟吧。

海貍和海獺不像海象鯨魚那樣具有厚厚的鯨脂，然而在潛水時，這些小的、半水棲哺乳動物可以通過捕捉致密毛皮層中的溫暖空氣保持自身的溫暖和干燥。

受這些毛茸茸游泳者的啟發，麻省理工學院的工程師們制作出一種有彈性的毛皮，并且試圖應用它來確定毛皮浸入液體中時是怎樣捕捉空氣的。研究海貍這類哺乳動物是如何隔絕他們自身不被浸濕的。研究結果也可用于指導設計仿生材料，尤其是溫暖、毛茸茸的雨衣。

“我們對沖浪用的潛水服很感興趣，在沖浪時，運動員在空氣和水環境中運動，” 麻省理工學院機械工程系教授兼副主任Anette (Peko) Hosoi說道，“我們可以控制毛的長度、間距和排列，這就允許我們設計的紋理匹配一定的俯沖速度，最大化潛水服的干燥區。”

Hosoi的共同作者包括第一作者、研究生Alice Nasto，博士后José Alvarado，數學與應用數學講師Pierre Thomas Brun，均來自麻省理工學院；以及前客座研究員Marianne Regli和Christophe Clanet，兩位均來自法國的巴黎綜合理工學院。

沖浪科學

團隊的研究動力源自2015年去臺灣的一次旅行。Hosoi指導麻省理工學院的STE@M（麻省理工學院體育科技及教育）計劃，該計劃旨在鼓勵學生和教師去從事有助于推動先進運動技術的項目。在2015年夏天，Hosoi帶領STE@M計劃的學生前往臺灣，在那里他們參觀了一些運動商品制造商，包括潛水服制造商Sheico團隊。

“他們對可持續性很感興趣，并且問我們：‘現在有針對潛水服的仿生材料嗎？’” Hosoi說道，“在水中頻繁進出的沖浪運動員們都希望身體可以足夠靈活，以使得在出水時可以迅速甩掉身上的水，同時當身體被水淹沒時，他們希望可以保持良好的儲熱能力以使身體保持溫暖。”

在團隊旅行回來后，Hosoi將任務派發給Nasto，鼓勵她在自然界尋找溫暖、干燥、流線型潛水服的設計模型。在隨后的文獻檢索過程中，Natro主要關注針對包括海貍及海獺的半水棲哺乳動物的研究。生物學家已經觀察到這些動物可以捕獲或“夾帶”空氣到它們的皮毛中。

Nasto還了解到動物身上披著兩種毛：長而薄的“防衛”毛，它作為短而密的“下層絨毛”的護盾。生物學家們認為“防衛毛”阻止水分進入“下層絨毛”，并在附近捕獲溫暖的空氣緊貼動物的皮膚。但是正如Nasto所說“對于整個過程，還沒有全面的機制上的理解。而這就是我們的切入點。”

毛皮下的口袋

團隊制定了一個計劃：制造各種具有確定尺寸的毛皮，將毛皮的表面以不同的速度浸入液體中，并用視頻成像方法測量在每一次潛水過程中，被捕獲的在毛皮中的空氣。

為了制造多毛表面，Natro首先創造了一些模具，即用激光在小的丙烯酸塊上切割成千上萬的微小的孔。對于每個模具，她使用一個軟件程序來改變毛發的尺寸和間距。之后，她用一種稱為PDMS（聚二甲基硅氧烷）的軟的鑄造橡膠填滿模具，最后在充型完成后，將多毛表面從模具中取出。

在他們的試驗中，研究人員將每一個毛的表面安裝到一個垂直的電動平臺上，并將毛發向外。然后，將毛發表面浸入到硅油里面，通過硅油更好地觀察空氣袋的形成。

研究人員可以觀察到：每一次表面的浸入時，在毛發周圍有清晰的液體和空氣的界限，在靠近毛皮表面形成較厚的空氣層，隨著深度的增加空氣層逐漸變薄。在各類毛皮中，他們發現那些高速浸潤的濃密的皮毛間存在更厚的空氣層。

毛皮捕獲空氣

從這些實驗來看，在確定毛皮表面可以捕獲多少空氣的問題上，似乎是毛發的間距和他們的浸入速度發揮了很大的作用。Hosoi和Natro隨后開發出一個簡單的模型，以數字化的角度精確描述這種空氣捕集效果。要做到這一點，他們對毛發表面又建模出一系列的管，它們代表毛發之間的空間。然后，他們可以模擬每個管內的液體的流動，并測量液體和空氣層之間的壓力平衡。

“我們發現，水可以推動空氣流動，但液體的粘度抵抗這種流動（通過管），”Hosoi解釋說。“水粘在這些頭發上，這樣可以將防止水一路滲透到底。”

Hosoi和Nasto將他們的方程應用到實驗數據上，發現他們的預測值與原始數據精確匹配。研究者們現在根據他們的方程，可以準確地預測出一個毛發表面將圍繞多厚的空氣層。

“人們已經知道這些動物是用它們的皮毛來捕獲空氣的，”Hosoi說。“但是，給出一件毛皮，他們卻不能回答“它可以捕獲空氣嗎？”這個問題。現在我們已經量化設計空間，可以說，‘如果你有這種密度和長度的頭發，并以這樣的速度潛入水中，這種情況就可以捕獲空氣，而這些則不能。’這些是你設計一件潛水衣所需要的信息。當然，你可以做一個看起來像餅干怪獸的非常多毛的潛水服，并且它可能會捕獲空氣，但這可能并不是最好的辦法。”

原文鏈接：MIT engineers design beaver-inspired wetsuit material

本文由編輯部楊洪期提供素材，劉冠旗編譯，朱曉秀審核，點我加入材料人編輯部。