你想试试新款海狸潜水服吗？

材料牛注：受海狸这种毛茸茸的哺乳动物的启发，麻省理工学院的研究者们设计出一种新式的潜水服，并成功探索了其内在的机理，是不是很好玩？快来跟小编一探究竟吧。

海狸和海獭不像海象鲸鱼那样具有厚厚的鲸脂，然而在潜水时，这些小的、半水栖哺乳动物可以通过捕捉致密毛皮层中的温暖空气保持自身的温暖和干燥。

受这些毛茸茸游泳者的启发，麻省理工学院的工程师们制作出一种有弹性的毛皮，并且试图应用它来确定毛皮浸入液体中时是怎样捕捉空气的。研究海狸这类哺乳动物是如何隔绝他们自身不被浸湿的。研究结果也可用于指导设计仿生材料，尤其是温暖、毛茸茸的雨衣。

“我们对冲浪用的潜水服很感兴趣，在冲浪时，运动员在空气和水环境中运动，” 麻省理工学院机械工程系教授兼副主任Anette (Peko) Hosoi说道，“我们可以控制毛的长度、间距和排列，这就允许我们设计的纹理匹配一定的俯冲速度，最大化潜水服的干燥区。”

Hosoi的共同作者包括第一作者、研究生Alice Nasto，博士后José Alvarado，数学与应用数学讲师Pierre Thomas Brun，均来自麻省理工学院；以及前客座研究员Marianne Regli和Christophe Clanet，两位均来自法国的巴黎综合理工学院。

冲浪科学

团队的研究动力源自2015年去台湾的一次旅行。Hosoi指导麻省理工学院的STE@M（麻省理工学院体育科技及教育）计划，该计划旨在鼓励学生和教师去从事有助于推动先进运动技术的项目。在2015年夏天，Hosoi带领STE@M计划的学生前往台湾，在那里他们参观了一些运动商品制造商，包括潜水服制造商Sheico团队。

“他们对可持续性很感兴趣，并且问我们：‘现在有针对潜水服的仿生材料吗？’” Hosoi说道，“在水中频繁进出的冲浪运动员们都希望身体可以足够灵活，以使得在出水时可以迅速甩掉身上的水，同时当身体被水淹没时，他们希望可以保持良好的储热能力以使身体保持温暖。”

在团队旅行回来后，Hosoi将任务派发给Nasto，鼓励她在自然界寻找温暖、干燥、流线型潜水服的设计模型。在随后的文献检索过程中，Natro主要关注针对包括海狸及海獭的半水栖哺乳动物的研究。生物学家已经观察到这些动物可以捕获或“夹带”空气到它们的皮毛中。

Nasto还了解到动物身上披着两种毛：长而薄的“防卫”毛，它作为短而密的“下层绒毛”的护盾。生物学家们认为“防卫毛”阻止水分进入“下层绒毛”，并在附近捕获温暖的空气紧贴动物的皮肤。但是正如Nasto所说“对于整个过程，还没有全面的机制上的理解。而这就是我们的切入点。”

毛皮下的口袋

团队制定了一个计划：制造各种具有确定尺寸的毛皮，将毛皮的表面以不同的速度浸入液体中，并用视频成像方法测量在每一次潜水过程中，被捕获的在毛皮中的空气。

为了制造多毛表面，Natro首先创造了一些模具，即用激光在小的丙烯酸块上切割成千上万的微小的孔。对于每个模具，她使用一个软件程序来改变毛发的尺寸和间距。之后，她用一种称为PDMS（聚二甲基硅氧烷）的软的铸造橡胶填满模具，最后在充型完成后，将多毛表面从模具中取出。

在他们的试验中，研究人员将每一个毛的表面安装到一个垂直的电动平台上，并将毛发向外。然后，将毛发表面浸入到硅油里面，通过硅油更好地观察空气袋的形成。

研究人员可以观察到：每一次表面的浸入时，在毛发周围有清晰的液体和空气的界限，在靠近毛皮表面形成较厚的空气层，随着深度的增加空气层逐渐变薄。在各类毛皮中，他们发现那些高速浸润的浓密的皮毛间存在更厚的空气层。

毛皮捕获空气

从这些实验来看，在确定毛皮表面可以捕获多少空气的问题上，似乎是毛发的间距和他们的浸入速度发挥了很大的作用。Hosoi和Natro随后开发出一个简单的模型，以数字化的角度精确描述这种空气捕集效果。要做到这一点，他们对毛发表面又建模出一系列的管，它们代表毛发之间的空间。然后，他们可以模拟每个管内的液体的流动，并测量液体和空气层之间的压力平衡。

“我们发现，水可以推动空气流动，但液体的粘度抵抗这种流动（通过管），”Hosoi解释说。“水粘在这些头发上，这样可以将防止水一路渗透到底。”

Hosoi和Nasto将他们的方程应用到实验数据上，发现他们的预测值与原始数据精确匹配。研究者们现在根据他们的方程，可以准确地预测出一个毛发表面将围绕多厚的空气层。

“人们已经知道这些动物是用它们的皮毛来捕获空气的，”Hosoi说。“但是，给出一件毛皮，他们却不能回答“它可以捕获空气吗？”这个问题。现在我们已经量化设计空间，可以说，‘如果你有这种密度和长度的头发，并以这样的速度潜入水中，这种情况就可以捕获空气，而这些则不能。’这些是你设计一件潜水衣所需要的信息。当然，你可以做一个看起来像饼干怪兽的非常多毛的潜水服，并且它可能会捕获空气，但这可能并不是最好的办法。”

原文链接：MIT engineers design beaver-inspired wetsuit material

本文由编辑部杨洪期提供素材，刘冠旗编译，朱晓秀审核，点我加入材料人编辑部。