论文标题：Quantifying the Leaping Motion Using a Self-Propelled Bionic Robotic Dolphin Platform

论文链接：https://www.mdpi.com/2313-7673/8/6/448

期刊名：Biomimetics

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biomimetics

MDPI工程科学发表链接：https://mp.weixin.qq.com/s/jqIldDvGGE4bBLF-pIh2yA

作为全球能源转型的中坚力量，风能正发挥着日益关键的作用。随着风力涡轮机尺寸的增大，其发电性能不断提升，但同时也面临两大挑战：一是大型叶片故障频发，维护成本高昂；二是叶片材料难以回收，对环境造成巨大压力。初步文献调研表明，风力涡轮机叶片中的典型退化现象——如涂层剥落、弯曲变形、翼肋帽/壳体连接处劣化以及尾缘破坏等——均与界面退化密切相关。因此，要有效防止叶片损坏，关键在于开发能够增强复合材料叶片的结构界面。来自丹麦技术大学的Leon Mishnaevsky, Jr.教授及其团队在Biomimetics期刊上发表了一篇文章，提出了新型的超耐用且可持续的风力涡轮机叶片概念。其核心是一种仿生粘合剂，通过独特的仿生双重机制 (结合纤维的机械互锁和化学键合) 的界面粘合剂，实现了叶片部件在需要时“牢固连接”与“便捷分离”的统一，从而使得叶片部件能够被重复使用。

图1. 风力涡轮机叶片的损伤机制。其中，TE表示后缘。

研究过程与结果

1、界面设计灵感来源

研究人员从具有天然韧性的结构 (如贝壳、头骨、竹子) 中获得灵感。这些结构在微观上通常呈现层状 (硬板)，硬板之间具有超韧纳米粘合层，可同时实现两种特性：高刚度和柔韧性，这种结构能够承受长期随机变化的载荷，且无需修复。将其应用于风力涡轮机叶片，可有效抑制大多数叶片界面退化的发生。

图2. 高纵横比的纳米棒状结构，界面处的纤维状结构。

2、仿生设计：机械联锁与化学粘附

(1) 灵感来源

如何为高载荷结构打造超强“仿生胶”？前沿研究已解锁仿生粘合剂的智能特性：强度可控、自主可调节，甚至在多种复杂表面实现可逆粘附。因此，研究者们也从珍珠层的结构中获取灵感，他们开发的新型粘合剂提供了“双重保险”：一是通过微细纤维的缠绕实现物理互锁，二是通过化学作用实现分子级粘结。

图3. 机械联锁与化学粘接的生活实例：雄性马鹿的额骨缝合线。

图4. 模拟机械联锁与化学粘接相结合的方案。

图5. 模拟机械联锁与化学粘接分解过程。

图6. 四种不同粘结形状试样的测试结果。(a) 力-位移曲线，(b) 脱离阶段，(c) 最大力、功和力除以模型权重的箱线图。

(2) 结构验证

实验证实，机械与化学结合的协同策略优势显著，其性能远超单一粘合方式。例如，销钉结构通过摩擦力和更大粘合面积共同作用——摩擦力直接锁死位移，而更大的面积则强化了粘合力、均匀了荷载分布，从而全面提升了连接点的强度和承载能力。

(3) 可逆分离

试验最后还验证了该基质胶粘剂具备优异的可逆分解特性：在临界温度以下，可使用硝酸等活性溶剂进行分解；接近临界温度时，仅需水或乙醇即可触发分离。当聚合物基质被溶解后，连接仅靠纤维互锁和摩擦力维持，部件因而能够轻松拆解、检验，并实现回收再利用，这为叶片的循环使用提供了关键技术支撑。

研究结论

本文基于仿生学原理，提出了一种超耐用、可持续的风力涡轮机叶片新设计。该设计借鉴珍珠层等天然结构，创新性地融合了物理机械互锁与化学键合：通过在对接面引入纤维结构实现互锁，并辅以化学粘合增强，形成协同效应。

研究表明，此仿生粘合剂展现出卓越性能，包括更高的剪切模量、更低的屈曲倾向及更强的损伤容限。此外，研究还探讨了采用可溶性基质的双相粘合剂，它能实现粘接界面的可控分离，从而支持叶片的模块化拆解与部件再利用，为风电行业提供了一条兼顾高可靠性与全周期可持续性的前沿路径。

原文出自 Biomimetics 期刊

Mishnaevsky, L., Jr.; Jafarpour, M.; Krüger, J.; Gorb, S.N. A New Concept of Sustainable Wind Turbine Blades: Bio-Inspired Design with Engineered Adhesives. Biomimetics 2023, 8, 448.

Biomimetics期刊介绍

主编：Stanislav N. Gorb, Kiel University, Germany

期刊致力于研究生物体的最基本方面及其特性向人类应用的转移。期刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术和生物医学领域的研究人员和专业人士提供一个平台，通过在工程系统、技术和生物医学中利用生物启发的设计，开发实现可持续创新的解决方案。