综述：仿生减阻表面的界面稳定性与跨尺度设计

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Interfacial stability and cross-scale design of bioinspired drag-reducing surfaces

　　

• 界面稳定性决定仿生减阻的持久效果。• 对超疏水表面、riblet 结构和顺应性表面进行机理比较。• 区分耦合机制与简单性能叠加。• 抗污染和生物医学约束影响长期生物界面功能。• 标准化指标和真实流动测试指导实际应用转化。

**引言**

高效的减阻仍然是航空航天和海洋工程的核心问题，因为它影响能源消耗、速度、航程、载荷能力以及飞行器和水下系统的使用寿命[1], [2], [3]。对于高性能水下航行器和海洋平台而言，近壁摩擦和生物黏附的控制与推进效率、机动性以及长期耐久性密切相关[4], [5]。从流体力学角度来看，减阻需要调控边界层内的近壁动量输运。这可以通过抑制湍流脉动、修改界面边界条件或重构近壁相干运动来实现，从而降低壁面剪切应力并改善流动性能[6], [7]。然而，在复杂水环境中，这些流体动力学途径与固液界面的稳定性密不可分。表面化学、微结构、压力脉动、溶解物种和生物沉积物可以共同决定设计的边界条件能否在运行过程中得以维持[8]。

近年来，仿生减阻表面作为边界层控制的一种有前景的途径受到了广泛关注。超疏水表面（SHS）通过截留界面气层、引入有效滑移和减少润湿面积来降低壁面摩擦[9], [10]。Riblet 结构通过约束近壁展向运动并修改流向涡动力学来抑制湍流动量交换，通常被认为具有相对较好的耐久性和工程适用性[6], [7], [11]。相比之下，顺应性表面依赖流固相互作用来吸收和重新分配近壁流动能量，从而动态改变边界层行为[12]。受鲨鱼皮、莲叶和海豚皮等生物界面启发，近年来的研究逐步将减阻表面设计从单一尺度形态优化扩展到多尺度、混合和功能集成架构（图1）[13]。

尽管取得了这些进展，单一机理策略在复杂流动条件下的运行限制日益明显。对于超疏水表面，界面气层在高剪切和压力脉动下可能变得不稳定，导致Cassie-to-Wenzel转变和滑移丧失[14], [15], [16]。对于riblet，减阻性能对沟槽几何形状和偏航角高度敏感，在高雷诺数下可能因粗糙度效应而恶化为增阻[17], [18], [19], [20], [21]。对于顺应性表面，其有效性强烈依赖于材料响应与特征流动频率之间的动态匹配，而机械鲁棒性和长期耐久性仍然是主要约束。这些局限性表明，尽管每种单一机理策略都有各自的优势，但在真实运行条件下往往难以同时实现高效率、稳定性和环境适应性。这促使人们越来越多地关注多机理减阻表面及其耦合物理过程如何调控近壁输运[22]。

这些问题将减阻表面置于更广泛的生物界面框架之中。在海洋和水下环境中，性能取决于固体表面、液相边界层、截留或溶解气体以及界面生物物质之间的相互作用。润湿性、表面自由能、微/纳米尺度粗糙度、界面化学和表面力学共同决定设计的减阻状态能否在压力变化、盐度、悬浮颗粒和污染暴露下存活。同样的原理也适用于血液接触或其他生物医学流动装置，其中蛋白质吸附、细胞黏附和血栓形成可以改变界面化学和液压阻力。因此，仿生减阻表面应被视为功能性生物界面，而非纯粹几何形状的流控器件。

因此，抗污染性能与减阻是耦合的而非独立的。蛋白质吸附和微生物附着可以改变表面自由能、增加粗糙度、固定接触线，并打断超疏水界面上的plastron连续性。在riblet上，沉积的污染物可以缩窄或堵塞沟槽谷底、增加压力阻力，并削弱对近壁运动预期的各向异性控制。在顺应性涂层上，吸水、生物膜生长或沉积物引起的质量加载可以改变刚度、阻尼以及壁面运动与流体动力学驱动之间的相位关系。反之，减阻表面产生的局部剪切和润湿状态可以影响早期生物黏附和后续生物膜形成。因此，长期性能取决于流体动力学、润湿、力学、化学和生物功能在服役期间整个过程中在真实运行条件下是否保持兼容。

本文聚焦于仿生减阻表面的稳定性、失效模式和跨尺度集成。我们不将超疏水性、riblet几何形状和顺应性视为孤立的设计途径，而是考察每种机理如何修改近壁输运、何种失效模式限制了其运行窗口，以及哪种耦合设计可以克服该局限性[23]。我们使用四个问题来组织本综述：(i) 何种界面或近壁状态产生减阻；(ii) 该状态在流动和环境载荷下如何失效；(iii) 混合表面是提供真正的相互作用还是仅仅是两种单一效果的简单叠加；(iv) 耦合界面能否在有用规模上制造和维护？

在整个综述中，界面稳定性被定义为设计的表面在耦合的流体动力学、润湿、力学、化学和生物载荷下维持其减阻边界条件和功能形态的能力。该定义包括气液界面持久性、沟槽几何形状的保持、壁面力学稳定性、对化学污染或降解的抗性，以及在整个预期服役期内对污染和生物黏附的控制。

这一区分有助于将互补效应与真正的协同效应分开。互补效应产生于两种机理平行运作时，而协同效应需要一种机理修改与另一种机理相关的状态或响应，并产生超越简单叠加的可测量益处。这一框架有助于判断何时单一机理可能已经足够、何时耦合是合理的，以及何时增加的复杂性可能引入新的折中。相应地，表1总结了本综述所考虑的各表面策略的代表性运行条件、控制配置和报告结果。由于各项研究在流动配置、雷诺数定义、参考表面和测试持续时间上存在差异，所汇编的数值旨在支持机理性比较，而非直接的性能排名。

这些数值按原始研究中的报告方式呈现，旨在提供定性比较基础，而非直接的性能排名，因为各项研究使用了不同的流动配置、雷诺数定义、参考表面和暴露时间。空白条目表示相应参数不适用于该研究或未被报告。PIV，粒子图像测速；DNS，直接数值模拟。

**分节摘要**

**超疏水表面的界面滑移与稳定性极限**

超疏水表面的减阻性能主要源于气液界面处的界面滑移以及由此带来的壁面剪切应力降低[36]。这种效益是状态依赖性的：它需要连续的截留气层、足够可移动的接触线，以及能够抵抗液体侵入的微/纳米结构[37]。因此，以下讨论将三个关联问题分开：润湿状态和接触线动力学如何控制滑移，以及

**近壁流动的几何优化与湍流调控**

Riblet表面是代表性的仿生减阻结构。其性能取决于沟槽尺寸、截面形状、排列方式和运行条件，包括来流速度、雷诺数、压力梯度和偏航角。从机理上看，riblet通过重组湍流结构、削弱展向动量交换和重新分配壁面剪切应力来调控近壁输运。因此，关键设计问题在于几何尺度与

**流固相互作用中的动态阻尼与结构耦合**

顺应性壁面减阻源于流体与可变形边界之间的双向耦合[123]。与刚性表面不同，顺应性壁面可以在流动脉动下变形，并通过阻尼、相位依赖性能量传递和结构耦合来改变近壁相干结构[124], [125], [126]。其性能由壁面质量、刚度、阻尼、厚度、波速以及流体动力学驱动与壁面运动之间的相位关系所决定。以下各节

**挑战与展望**

尽管在机理识别、结构设计和材料加工方面取得了重大进展，但多机理减阻的转化仍受到评估不一致、耦合退化、真实流动验证不完整和制造约束的限制。为减少概念重叠，展望围绕四个关联优先事项组织：标准化报告与机理性数据集；真实服役条件下的耐久性；抗污染与减阻

**结论**

本综述总结了三种代表性减阻策略的最新进展、机理和局限性：超疏水涂层、riblet结构和顺应性壁面。这些策略分别通过界面滑移、近壁湍流调控和流固相互作用来发挥作用。它们的实用价值取决于相关的界面、几何或动态状态在流动、环境和生物载荷下是否保持稳定。

**当前证据**

**CRediT作者贡献声明**

Guangzhen Zhou：撰写——初稿，可视化，调查研究，数据整理，概念化。Yan Pang：撰写——审阅与编辑，验证，监督，概念化。Zhaomiao Liu：撰写——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。

**伦理批准和参与同意**

本综述文章不涉及人类参与者、人类样本或动物实验。因此，不需要伦理批准和参与同意。

**资金**

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：12272016和12572305）的资金支持。此外，中国航空工业集团公司沈阳航空航天研究所提供了机构支持。

**作者贡献**

所有作者均参与了综述的构思和设计、文献分析、稿件撰写、批判性修订以及最终稿件的批准。

**出版同意**

所有作者均已审阅并批准了最终版本的稿件，并同意其出版。

**利益冲突**

作者声明不存在利益冲突。

**声明**

本研究不包含任何作者进行的人类或动物受试者研究。本文不适用数据共享，因为未创建或分析任何新数据。

**数据可用性**

本文不适用数据共享，因为未生成或分析任何新数据集。本综述基于引用文献中可获得的信息。

**利益冲突声明**

作者声明不存在利益冲突。

**致谢**

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：12272016和12572305）的资金支持，以及中国航空工业集团公司沈阳航空航天研究所提供的支持。

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