近日，北京邮电大学丁阳教授及其团队在美国国家科学院院刊（PNAS）试验中发表重大胜利，首次发现螺旋桨推进系统中的“推进反转”现象——在某种场景下，无论螺旋桨都在反向旋转。这一发现打破了对推进流体动力学的传统认识，为螺旋桨推进在医疗、环保等微型机器人实际应用中将面临的困难提供了早期预警和可能的解决方案。论文于北京时间10月3日上线。阳光生活相关论文截图，螺旋桨是推进系统的“主力”。万吨巨树的航行或者直升机的崛起，都是靠它们给予前进的动力。然而，丁阳团队的实验却呈现出“异常景象”。他们放了一个7.5厘米长的米分别在清水和硅油中的ini-潜艇模型。在清水中，潜艇的螺旋桨旋转并上下颠倒，与预期相符。然而，添加了粘度几乎是水100倍的硅油后，无论螺旋桨转动多少，潜艇都只能前进，仿佛被一种无形的力量“拖着”。 “这种‘潜艇前进’和潜艇运动的现象‘就是我们所说的‘推进反转’。”团队成员解释说，这种看似“挫败”的现象揭示了一个尚未被科学界重视的地方——中等雷诺数（RE）液体环境中螺旋桨推进的独特规律。雷诺数是测量流体中物体运动的“佼佼者”。当船舶和飞机等大型物体进入水中或空中时，惯性力起主导作用，属于高数雷诺力范畴。当大肠杆菌等微生物大肠杆菌和幽门螺杆菌在血液或水中游动，强力占主导地位，属于低雷诺范畴。未来，能够对人体血管进行操作的微型机器人和能够检测工业管道的微型车辆的尺寸介于两者之间。不当力和粘性力在运动过程中都会产生影响，属于中等雷诺数环境。过去，高、低雷诺数螺旋桨的mgA推进规律已有成熟的理论，但中雷诺数领域一直是一个“盲点”。为什么螺旋桨在中等雷诺数环境下会“反向输出”？通过三维计算机模拟，团队从力场和场流两个维度找到了其背后的“隐形推动者”。据介绍，螺旋桨在硅油中旋转时，会同时形成两个方向相反的“力”。一方面是“离心吸力效应”。旋转的螺旋桨会带着硅油产生类似龙卷风的涡流，在螺旋桨附近形成负压区。这个负压区就像一个“吸尘器”，不断向前吸入螺旋桨尾部的硅油，被吸收的硅油产生反作用力，将潜艇向后“拉”——这就是导致潜艇后退的主要力量。另一方面，存在“反向流体加速效应”。螺旋桨叶片有一个倾斜角度，旋转时会撞击硅油，形成向后的水射流，并沿螺旋桨轴线形成向前的推力。和普通船舶的前进原理是一样的。实验设备在中等雷诺数环境中，“离心吸力效应”形成的向后拉力超过“向后流体加速效应”产生的向前推力。这就像一场“拉锯战”，向后的力量获胜并最终导致潜艇“反向运动”。在高雷诺数或低雷诺数环境下，向前的推力始终占主导地位，这种“异常”不会发生。 “既然我们了解了‘推进反转’的原理，我们就有针对性地解决问题了。”丁阳举了一个例子。未来在设计血管内的医疗机器人时，我们可以通过增加螺旋桨与机身之间的距离、螺旋桨的形状等来避免“反向力输出”，从而使机器人能够精确地按照预期的方向移动。接下来，团队计划完善Propeller Propulsion中雷诺数动力液体理论，希望将高、低雷诺数的螺旋桨推进理论体系连接起来。 “我们期望对微型机器人和其他相关学科进行联合研究，以促进微型车辆等系统的实际应用es，”丁阳说道。 原文链接：https://www.pnas.org/dii/10.1073/pnas.2504153122