灵巧凹痕：受高尔夫球凹痕启发的水下敏捷航行器

高尔夫球表面的凹坑能有效穿透压差阻力——这是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。

"水下航行器采用动态可编程外壳可大幅降低阻力，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，航行器能以更高效率和精准度实现机动操控，"密歇根大学船舶与海洋工程及机械工程助理教授、两项发表于《流体》和《流体物理学》期刊研究的通讯作者安查尔·萨林表示。

此类灵巧的航行器在执行监视、测绘新区域或收集水文数据时，可抵达海洋中通常难以到达的区域。

萨林团队将薄层乳胶覆盖在布满孔洞的空心球体上制成原型，形似匹克球。启动抽真空泵使核心区降压，乳胶层向内收缩形成精确凹坑；关闭真空泵则球体恢复光滑表面。

为测定凹坑对阻力的影响，该球体在3米长风洞中接受测试：由细杆悬挂，承受不同风速。

针对每种流动工况，通过调节真空泵强度可精细控制凹坑深度。采用测力传感器（一种检测气流施加于物体作用力的装置）测量阻力值。同步向风洞注入气溶胶，同时用高速激光和相机捕捉微粒绕球体流动的轨迹。

高速气流中浅凹坑减阻效果更佳，而低速时深凹坑效率更高。通过调节凹坑深度，该球体在所有工况下较光滑球体减少50%阻力。

"自适应表皮系统能感知来流速度变化并相应调节凹坑以维持减阻效果。将此技术应用于水下航行器可同步降低阻力和燃料消耗，"密歇根大学船舶与海洋工程博士后研究员、研究合著者罗德里戈·维伦布拉雷斯-加西亚解释道。

这种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作用力，但事实上只要垂直于流向，其作用方向具有多维性。

为实现该特性，研究人员设计了单侧开孔的内骨架，激活时使球体形成光滑与凹坑并存的双态表面。

该结构导致球体两侧发生不对称流动分离，使尾流偏向光滑侧。根据牛顿第三定律，流体会对粗糙侧施加大小相等、方向相反的力，从而推动球体朝向凹坑侧移动：右侧凹坑产生向右推力，左侧则推动向左。通过选择性激活目标侧凹坑即可实现精准转向。

团队在同等风洞配置下测试新球体，改变风速与凹坑深度。采用最优凹坑深度时，半糙半滑球体产生的升力最高可达阻力的80%。其升力生成强度与马格纳斯效应相当，但完全通过改变表面纹理实现，无需依赖旋转运动。

"这种简易方案竟能产生与需要持续旋转的马格纳斯效应相当的效果，令我感到惊讶，"密歇根大学机械工程研究生、研究合著者普图·布拉曼达·苏达尔萨纳表示。

"长远来看，这项技术将惠及以机动性优先于速度的紧凑型球形机器人潜艇，适用于勘探检测任务。这类潜艇通常需配备多重推进系统，但本机制有望减少此类需求。"

展望未来，萨林期待结合材料科学与软体机器人领域的专业知识展开合作，进一步推动动态表皮技术的发展。

"这种智能动态表皮技术可能彻底改变无人空中及水下航行器领域，为传统铰接式控制面提供轻量化、高能效且响应迅捷的替代方案，"她强调道。"通过实时适应流动条件变化，该创新技术有望增强机动性、优化性能，并为航行器设计开辟全新可能性。"