3D打印与自组织协同构筑多尺度节能褶皱表面

3D科学谷洞察

把“鸟羽”搬进工厂：用 3D 打印+自组织两步法，首次在赛车尾翼、高尔夫球等实物上做出“宏观可设计、微观自适应”的多尺度褶皱，显著减阻、提效，有望重塑汽车与运动器材的空气动力学设计范式。”

近日，李甜甜博士在《Matter》期刊发表最新研究成果，提出一种融合3D打印与自组织机制的“多尺度褶皱结构”策略，可在赛车尾翼和高尔夫球等实际应用中提高空气动力学性能、降低阻力、提升能效。该策略受鸟类羽毛多尺度流动调控机制启发，开发出从宏观设计到微观自适应的多尺度结构构建路径，在运动、交通等领域展示出广阔应用前景。

图1： 多尺度褶皱结构实现气流调控的策略

在自然界中，鸟类羽毛和鲨鱼皮等结构通过复杂的多尺度设计，实现了对流体的巧妙调控，具备优异的减阻增稳能力。尽管受到这些自然界“空气动力大师”的启发，人工材料想要实现类似的多尺度流动调控效果，却面临着制造复杂、尺度耦合难、加工成本高等诸多难题。

为解决这一挑战，美国康涅狄格大学Luyi Sun教授联合上海交通大学姜学松教授、普渡大学Dianyun Zhang教授等团队，提出了一种“3D打印+自组织”协同策略，用于构建多尺度褶皱结构。这种结构不仅能像羽毛一样充当气流扰动源，还能在不同尺度上调控涡旋形成与压力分布，实现流动路径延长、近壁速度提升、尾涡减弱，从而大幅提升空气动力学性能。(图1)

图2：3D打印结合自组织策略构筑多尺度褶皱结构。

研究团队以蒽基修饰的弹性体材料为基底，通过直接墨水书写（DIW）3D打印技术构建宏观框架结构，并在后续紫外光照射和热处理过程中诱导表面微观褶皱的自发形成。这种自组织过程受界面边界条件、交联梯度、应力释放等多重因素控制，可实现微褶皱形貌的精确可调。（图2）

例如，通过改变打印喷嘴直径与排布方式，研究者获得了从无序随机到有序排列的不同类型褶皱结构；进而将其组合至双层架构中，实现在网格线中形成大尺度涡旋、在褶皱中形成微尺度扰流区的“协同涡结构”。（图3）

图3：多尺度褶皱结构的空气动力学性能。

图4：通过多尺度褶皱结构实现赛车和高尔夫球的空气动力学优化。

空气动力学性能测试结果显示，这些仿生褶皱结构可有效提升近壁气流速度、降低表面压力、增强附着力，从而产生升力或下压力。更令人惊喜的是，该技术在实际应用中展现出强大潜力。研究人员将这种褶皱结构集成于赛车尾翼的下表面，通过调整攻角，实现了“更强下压力+更小阻力”的双赢空气动力表现。（图4）

除了赛车，研究团队还尝试将褶皱膜层粘附于高尔夫球表面，形成“球面凹坑+微褶皱”的复合多尺度结构。在利用无人机仿照伽利略斜塔实验设计的自由下落测试中，加入褶皱的高尔夫球在5米与60米高度测试中，均比商用球更早落地。60米下落测试中，加入褶皱的高尔夫球提前0.89米落地，具有明显的减阻效果。（图4）

通过模拟计算，研究者进一步证实，褶皱结构在减弱尾涡、推迟流动分离、稳定流场等方面具有重要作用。而且，当与传统凹坑结构叠加使用时，表现出明显的协同增效。相较传统高尔夫球，添加褶皱结构可额外降低4.4%的阻力。

该研究不仅在基础科学层面推动了多尺度自组织结构与复杂流动调控的交叉融合，更为现实世界中的气动结构优化提供了全新设计思路与技术支撑。其低成本、高可控性与广适应性的特点，特别适用于如汽车扰流板、运动器材等领域。

综上所述，李甜甜等人提出的“3D打印+自组织”构建多尺度褶皱结构的新策略，成功突破了仿生气动结构制造的技术壁垒，实现了在宏微尺度结构集成、可控调控与功能协同方面的重大进展。该策略不仅提升了空气动力学性能，更展现出在节能交通、运动装备等多领域的广阔应用潜力。

Tiantian Li et al. “Hierarchical wrinkled structures via 3D printing and self-organization for energy-efficient transport”

https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102345

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