灵巧凹痕：受高尔夫球启发的敏捷水下航行器

高尔夫球表面的凹坑能穿透压差阻力——物体在流体中运动时遇到的阻力——使球平均比光滑球多飞行30%。受此启发，一个研究团队开发出具有可调节表面凹坑的球形原型，并在受控风洞中测试了其空气动力学性能。

“水下航行器配备这种动态可编程外壳能显著降低阻力，同时无需依靠鳍或舵等突出附件进行机动。通过主动调节表面纹理，航行器可实现精确机动性，并提升效率与控制力，”密歇根大学造船与海洋工程及机械工程助理教授、发表于《Flow》和《Physics of Fluids》两篇研究的通讯作者安查尔·萨林如是说。

这类灵巧航行器在执行监视、测绘新区域或采集水文数据时，可抵达海洋中通常难以到达的区域。

萨林团队通过在布满孔洞的空心球体（类似匹克球）表面拉伸乳胶薄膜制成原型。真空泵对核心减压时，乳胶向内收缩形成精确凹坑；关闭泵体后球体恢复光滑。

为探究凹坑对阻力的影响，该球体被置于3米长风洞中接受测试：由细杆悬吊，经受不同风速。

每种气流条件下，通过调节真空泵强度可精细控制凹坑深度。采用载荷传感器（检测气流施力的装置）测量阻力，同时向风洞喷射气溶胶，并用高速激光与摄像机捕捉微粒绕球体流动的轨迹。

高风速时浅凹坑减阻效果更佳，低风速时深凹坑效率更高。通过调节凹坑深度，在所有条件下该球体比光滑球体减少50%阻力。

“这种自适应表皮能感知来流速度变化，相应调整凹坑以维持减阻效果。将此技术应用于水下航行器可同时降低阻力和油耗，”造船与海洋工程博士后研究员、研究合著者罗德里戈·维隆布拉雷斯-加西亚解释道。

智能变形球体还能产生升力以实现可控运动。升力通常被视为维持飞机升空的向上力，但其实只要垂直于流向，可在任意方向发挥作用。

为此研究人员设计了单侧开孔的内骨架，激活后球体形成光滑半球与凹陷半球。

这导致球体两侧产生不对称流动分离，使尾流向光滑侧偏转。根据牛顿第三定律，流体施加大小相等方向相反的力作用于粗糙侧，有效推动球体朝向凹坑方向：右侧凹坑产生向右推力，左侧则向左推进，通过选择性激活目标侧凹坑实现精准转向。

团队在同等风洞条件下测试了不同风速与凹坑深度的新型球体。优化凹坑深度时，半粗糙半光滑球体产生的升力最高可达阻力的80%。其升力生成强度媲美马格努斯效应，但无需旋转即可完全通过改变表面纹理实现。

“如此简洁的方案竟能取得与需持续旋转的马格努斯效应相当的结果，令人惊讶，”机械工程研究生、研究合著者普图·布拉曼达·苏达尔萨纳表示。

“长远看，这项技术将惠及优先考虑机动性而非速度的紧凑型球形机器人潜艇，用于勘探与检测。这类潜艇通常需多套推进系统，但该机制有望减少此需求。”

展望未来，萨林期待结合材料科学与软体机器人领域的专长展开合作，进一步推进动态表皮技术的发展。

“这种智能动态表皮技术可能成为无人飞行器与水下载具的颠覆性突破，为传统铰接控制面提供轻量化、高能效且高响应的替代方案，”她强调，“通过实时适应变化的流场条件，该创新技术有望增强机动性、优化性能，并为载具设计开拓全新可能。”