西工大黑科技丨一片竹葉，讓他們做出了“飛機貼膜”，有望徹底解決防除冰難題

西工大黑科技丨一片竹葉，讓他們做出了“飛機貼膜”，有望徹底解決防除冰難題

導語

竹葉獨特的表面結構，正是它不易結冰的原因。團隊決定從微觀層面仿生竹葉結構，制作出一種“蒙皮”，貼在中小型無人機易結冰部位，達到防除冰效果。

一片不起眼的竹葉，有什么用？利用竹葉仿生原理，西北工業大學空天微納系統教育部重點實驗室的何洋副教授團隊成功做出了無人機“疏冰蒙皮”，這樣的“飛機貼膜”有望徹底解決“中小型無人機防除冰”的難題。

冰雪中不易結冰的竹葉。課題組供圖

據介紹，飛機防除冰是一件很重要的事。當飛機經過高寒環境，冷水滴或降水中的過冷雨碰到飛機機體，或水汽直接在機體表面凝華，都會形成積冰。飛機一旦積冰，輕則影響氣動外形、電子傳感等，重則有可能造成事故甚至墜毀。

當前，大型飛機主要采用3種方式防除冰：一是氣熱，用熱空氣或電加熱系統使機體不積冰；二是在機體噴射防凍液等，阻止積冰；三是在機體設置防冰橡皮囊，間歇性壓縮空氣讓橡皮囊收縮，使上面的冰層破碎脫落，物理除冰。

但對于中小型無人機來說，沒有渦輪式發動機可提供除冰的氣熱，機械除冰又會改變機身外形、負重，所以防除冰成為了一個難題，只能采用能耗低、負載小的防除冰手段。

何洋老師決定另辟蹊徑，從結冰原理開始研究，從“機身表面”做文章——有沒有可能做出一種不易結冰的機身表面？這時，“仿生學”給了他啟示，也許有的植物在冰雪自然環境中不容易結冰。

在實驗室細致研究竹葉。課題組供圖

他們首先想到的是荷葉，因為荷葉不會積水。為此，何洋老師和同學們利用出差機會，專門去大明湖畔研究了雨荷。通過荷葉研究，他們發現：荷葉的表面結構確實不易積冰，但荷葉只在夏天存在，沒有經過冬天冰雪環境的檢驗，防除冰性能是否可靠？如果有一種植物在冬天也不易積冰，一定會是更好的選擇。

隨后，何洋團隊開始了對冰雪環境的探索，他們千方百計去冰天雪地中找尋一種不易積冰的植物。對西工大所在地——西安來說，最易到達的冰雪環境便是秦嶺了。冬天，何洋老師和同學們冒著嚴寒數挺進秦嶺，走遍了大大小小很多峪口。

有時候，他們和資深驢友一起，出沒于尚未開發的荒山，不同的是，他們的目的不是登山的樂趣，而是不顧路途的艱辛勞累，用目光不斷搜索著身邊的每一棵植物和每一處峭壁。

功夫不負有心人。在鹿角梁的一次攀登中，有課題組成員從皚皚白雪里看到一抹綠……那是一株不起眼的細竹，矮矮的長在道邊——從一片白雪中透出翠綠，細葉上竟沒有一點冰雪。同學如獲至寶，興奮地采下竹葉，小心翼翼帶回了學校。

得知何洋老師團隊帶回一片神奇的竹葉，空天微納系統教育部重點實驗室主任苑偉政非常肯定團隊的想法，并為后續研究提出了思路，幫助聯系實驗條件。在學院的指導和支持下，何洋老師帶領同學們緊鑼密鼓地開始了對秦嶺箭竹葉的研究。

疏冰蒙皮。課題組供圖

他們帶著竹葉，走訪了多位生物學專家，搞清了竹子的生世。原來，這種矮小的細竹叫“秦嶺箭竹”，它特產于大秦嶺，也是大熊貓主食竹種之一——秦嶺箭竹。

經過電子顯微鏡的仔細研究，他們確定：竹葉獨特的表面結構，正是它不易結冰的原因。團隊決定從微觀層面仿生竹葉結構，制作出一種“蒙皮”，貼在中小型無人機易結冰部位，達到防除冰效果。

從仿生微納角度，做出和竹葉一樣的表面結構，是一項高技術含量的工程。通過觀察箭竹葉，他們發現其結構極其復雜，其特殊的表面竟是由4層完全不同的結構重疊而成，這種多層復雜結構在以往的仿生微納制造工藝上從未遇到，這給項目提出了巨大的挑戰。

經過深入思考和多次討論，何洋老師和同學們創新提出了“分層組裝”的制造方法，即分別制造每一層結構，再精細化地把4層結構無縫搭建在一起。然而，單層結構的制造都十分困難，4層拼接，無論對工藝還是對接準確性都提出了極高的要求，可謂是難上加難。

舉例說明：大家都知道，在一粒米上刻字有多難。而這次的微納仿生，是要用一粒米的1/1000大小的“磚”，搭建一棟每層都極不相同的4層建筑……

經過無數次實驗、無數次失敗，團隊成員終于采用仿生微納技術將秦嶺箭竹葉的表皮完美復制，做出了“疏冰蒙皮”，實現了可以在高寒環境中抵御積冰的表面微觀結構。

課題組成員背著實驗設備在山頂。課題組供圖

很快，何洋老師和同學們就將“疏冰蒙皮”運用到了無人機防除冰實驗中。他們開展了數次冰風洞實驗，得到了不錯的檢驗效果。之后，他們得到了愛生技術集團公司的支持，獲得了將蒙皮在無人機上進行飛行試驗的機會。

對蒙皮性能效果的實戰檢驗，在偏遠的高寒地區進行。為了讓蒙皮經受住最真實、嚴酷的環境考驗，團隊忍受住零下10度的嚴寒和蝕骨的冷風，整整等了3個通宵才迎來了實驗的天氣條件。

多輪試驗后，“疏冰蒙皮”的防除冰效果和強度、可靠性都得到了實踐驗證。中國空氣動力研究與發展中心冰風洞測試報告認為：“與目前公開報道的國際上同類研究相比，超過國際先進水平”。

亞洲最大的無人機研發生產基地愛生技術集團公司應用證明認為：“某型無人機采用了所研制的疏冰微納結構復合蒙皮，在國際上首次實現了中小型無人機防除冰功能飛行實驗，為中小型無人機防除冰提供了一種有效的手段。”

“通過仿生微納技術制作的疏冰蒙皮，在中小型無人機防除冰方面通過了實驗驗證，但離蒙皮的實際運用，還有很長的路要走。”何洋告訴記者，目前，團隊已經在開展對箭竹葉的更深入研究。他希望能徹底弄清楚箭竹葉防除冰的詳細機理和深層次原因，讓這一由竹葉轉化而來的微納技術，將來可以運用到大型飛機、直升機、風力發電機、電線、公路等多個方面的防除冰中。

（本文來源：中青在線，作者：蔡金延 胡彥鵬 孫海華）