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针对水下航行器因低速时超疏水表面空穴易消散致阻力增加的问题，研究人员在超疏水钢球上构建亲水条纹异质结构。发现 0.25mm 宽且间距的亲水条纹可稳定空穴，最大减阻效率 63.3%，为减阻技术提供新路径。
在深邃的海洋中，水下航行器如同灵动的鱼儿穿梭，但它们面临着一个严峻挑战 —— 巨大的水动力阻力。据统计，超过 50% 的能量都消耗在克服阻力上，尤其是当航行器以较低速度行进时，传统超疏水表面形成的空穴会因静水压力和流动分离迅速消散，导致阻力骤增，能耗大幅上升。如何在低速条件下稳定空穴、实现高效减阻，成为困扰科研人员的难题。为突破这一瓶颈，国内研究团队开展了相关研究，其成果发表在《Applied Materials Today》。
该研究团队选用 GCR15 级钢球（直径 20mm）和钢板（20×20×1mm），通过一步喷涂法在钢球表面制备超疏水涂层，再利用激光加工技术引入亲水条纹。借助 STAR-CCM + 进行数值模拟，并通过改变钢球下落高度来系统研究其入水冲击过程，分析初始冲击速度、空穴体积与减阻效率的关系。
材料与表面特性表征
实验选用 SiO?纳米颗粒（平均粒径 50nm）和 FAS-17 等材料。对超疏水钢球表面进行液滴动力学研究发现，20μL 水滴放置于表面时会沿曲面滚动并脱离，从一定高度释放后冲击表面能回弹，均不润湿基底，表明其具有优异的超疏水性能。
亲水条纹对空穴稳定性的影响
研究表明，在低初始冲击速度下，单纯超疏水钢球周围空穴因静水压力逐渐消散，而引入亲水条纹的超疏水 / 亲水异质结构能有效锚定气液固三相接触线，捕获气泡，稳定空穴。相较于全涂层球体，仅在赤道处或上方施加局部亲水条纹的空穴稳定性更优，可延长减阻时间。
亲水条纹参数优化
进一步优化亲水条纹宽度和间距发现，当两者均为 0.25mm 时，空穴稳定性最佳，最大减阻效率达 63.3%。数值模拟显示，空穴消散会扩大球体尾部流动分离区，显著增加压力阻力，而优化后的亲水条纹结构可有效抑制这一现象。
这项研究通过仿生策略在超疏水球体上构建亲水条纹异质结构，成功解决了低速条件下空穴易消散的问题，为水下航行器和机器人系统的减阻技术提供了一种可扩展、成本效益高的表面工程方法。其成果不仅深化了对润湿性工程表面在水动力学中作用的基础理解，还为小型潜水器、水下机器人及长时间水下作业的节能减阻提供了实际指导，有望推动下一代减阻技术的发展。
