灵巧凹坑：受高尔夫球启发的敏捷型水下航行器

高尔夫球表面的凹痕能够穿透压力阻力——即物体在流体中运动时遇到的阻力——使球的飞行距离平均比光滑球远30%。受此启发，一个研究团队开发出表面凹痕可调节的球形原型，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控制，"密歇根大学船舶与海洋工程及机械工程助理教授、发表于《Flow》和《物理流体》两份期刊的两项研究通讯作者安查尔·萨林解释道。

这类灵活航行器在执行监视、区域测绘或水质数据采集任务时，可抵达海洋中通常难以到达的区域。

萨林团队将乳胶薄膜拉伸覆盖在布满孔洞的空心球体上制成原型，外形类似匹克球。真空泵启动时对核心区域减压，使乳胶向内凹陷形成精确凹痕；关闭泵体则球体恢复光滑表面。

为验证凹痕对阻力的影响，该球体在3米长风洞中接受测试：通过细杆悬吊，承受不同风速。

针对每种流场条件，通过调节真空泵强度可精细控制凹痕深度。采用测力传感器（一种检测气流施加在物体上作用力的装置）测量阻力值，同时向风洞喷射气溶胶，并用高速激光与相机捕捉微粒绕球体流动的运动轨迹。

高速气流中浅凹痕降阻效果更佳，而低速环境下深凹痕效率更高。通过调节凹痕深度，该球体在所有工况下比光滑球体减少50%阻力。

"自适应表皮系统能感知来流速度变化并相应调整凹痕，持续维持减阻效果。将此概念应用于水下航行器将同时降低阻力和燃料消耗，"船舶与海洋工程博士后研究员、研究论文合著者罗德里戈·维伦布拉雷斯-加西亚表示。

这种智能变形球体还能产生升力以实现受控运动。升力通常被视为维持飞机升空的向上作用力，但只要与流向垂直，其作用方向可任意调节。

为实现该特性，研究人员设计了仅单侧有孔洞的内部骨架，激活时使球体形成光滑与凹陷双表面。

这导致球体两侧产生不对称流动分离，将尾流导向光滑侧。根据牛顿第三定律，流体会向粗糙侧施加等值反向作用力，实质上推动球体朝向凹痕方向运动：右侧凹痕产生向右推力，左侧则推动向左。通过选择性地激活特定侧凹痕即可实现精准转向。

团队在同等风洞配置中以变风速与凹痕深度测试新型球体。采用最佳凹痕深度时，半糙面/半滑面球体产生的升力高达阻力的80%。其升力强度与马格努斯效应相当，但完全通过改变表面纹理实现，无需持续旋转。

"如此简单的方法竟能媲美需要持续旋转的马格努斯效应，这令我感到惊讶，"机械工程研究生、研究论文合著者普图·布拉曼达·苏达尔萨纳坦言。

"长远来看，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，用于勘探与检测任务。这类潜艇通常需配备多重推进系统，而该机制有望减少此类需求。"

萨林展望未来时表示，期待与材料科学和软体机器人领域专家展开合作，共同推进动态表皮技术的性能突破。

"这种智能动态表皮技术可能彻底改变无人航行器领域，为传统铰接式控制面提供轻量化、高能效且响应灵敏的替代方案，"她强调道。"通过实时适应变化的流体条件，这项创新将提升机动性、优化性能，并为航行器设计开辟全新可能。"