一艘新船下海，几小时内就"脏"了——美国海军砸900万美元研究这个难题

最让海军头疼的，是薄薄一层看不见的东西---生物膜。

当一艘崭新的舰船驶入海水，几小时内，显微镜下的小家伙们就开始在船壳上安家。

它们分泌粘液，形成一层滑溜溜的生物膜。这层膜肉眼几乎看不见，但它会继续"招兵买马"——藻类、微生物群落接踵而至，船壳表面变得粗糙、凹凸不平。

这不是美观问题。

这层看似不起眼的生物污损，会让船舶阻力增大、油耗飙升、噪音和振动加剧，还会堵塞传感器。对军舰来说，噪音意味着更容易被声呐发现；对商船来说，阻力意味着每年多烧掉几十亿美元的燃油。

美国海军研究办公室（ONR）决定认真对待这件事。

2026年3月，ONR通过其"多学科大学研究计划"（MURI）向一个多校联合团队拨款 900万美元，为期五年，系统研究生物污损与舰船之间的相互作用。

牵头单位是弗吉尼亚理工学院（Virginia Tech），合作方包括康奈尔大学、乔治华盛顿大学、乔治城大学和美国海军学院。

[ 图片：Virginia Tech团队——Shishir Damani（博士后）、William Devenport（杰出教授）、Olivier Coutier-Delgosha（教授）、Andrew Beusse（博士生）。摄影：Clark DeHart ]

一层生物膜，一堆物理难题

项目负责人、弗吉尼亚理工杰出教授 William Devenport 说得直白：

"从科学上讲，这极其难研究，因为生物污损是一个高度可变的、活的生态系统。"

生物膜的生长取决于船是否在航行、在哪片海域航行——变量一多，实验室里就很难复现。为了解决这个问题，团队计划开发人工生物膜和培养生物膜来做可控实验。

而噪音让问题更复杂。Devenport 解释：

"从流体力学和声学的角度看，当生物膜、表面结构和水流共同作用时，会产生湍流边界层，形成压力波动。水很重，每立方米大约一吨。这些压力波就像锤子一样不断敲击船壳——和气流冲击飞机蒙皮的原理类似。"

"这薄薄一层膜，对流动行为和声学的影响大得不成比例。而且一切都是耦合的：水流控制生物膜怎么长，生物膜反过来改变水流。"

三个方向，五年攻克

整个研究聚焦三条主线：

• 一是测量技术。
   开发新的实验测量手段，把生物膜、水流和声学之间的复杂相互作用看清楚。
• 二是生物与材料的交叉。
   人工构建生物膜和培养生物膜，让实验可重复——否则每次实验结果都不一样，没法做科学。
• 三是大规模数据集。
   建立关于"湍流—生物污损—柔性表面—声学"耦合关系的前所未有的实验数据库。

一支跨学科"梦之队"

[ 图片：项目核心团队成员。摄影：Jama Green for Virginia Tech ]

这个项目汇聚的阵容，用"梦之队"形容不算夸张——8位核心科学家各自从不同角度切入同一个问题：

• William Devenport
  （弗吉尼亚理工）：湍流边界层声学测量。40年功力，带领大型跨学科团队经验丰富。项目总负责人。
• Olivier Coutier-Delgosha
  （弗吉尼亚理工）：厘米级水槽和X射线流场测量。用创新的小尺度实验手段打开局面。
• Todd Lowe
  （弗吉尼亚理工）：流体力学光学诊断。公认的流场光学测量专家。
• Rong Yang
  （康奈尔大学）：生物污损与防污。擅长生物界面工程、用于模拟生物膜的层状结构构建，以及基于细菌的生长体系。
• Dan Blair
  （乔治城大学）：软物质与生物材料的力学性质。擅长定量显微与流变学先进工具。
• Matt Rau
  （乔治华盛顿大学）：海洋微生物与流体力学。在严格控制的条件下培养和实验微藻生物。
• Philippe Bardet
  （乔治华盛顿大学）：光学流场测量。开创了用于高分辨率层析粒子跟踪的全光成像技术。
• Mike Schultz
  （美国海军学院）：生物污损流动领域公认的权威。在模拟和真实生物污损条件下的流动实验方面积累了大量经验。

乔治华盛顿大学的 Philippe Bardet 这样评价这个团队：

"一旦生物学介入，变量数量就爆炸了。如果控制不好参数，太容易出错。这也是这个项目最让人兴奋的地方——它是真正的跨学科合作。我们有真正的生物学家，也有站在流体-生物交叉点的人，像Rong Yang和Matt Rau。Devenport极其严谨，我相信他是全美最适合领导这个项目的人。"

从小到大，三步走

实验分三个阶段推进，从小到大，复杂度层层递增：

第一阶段：厘米级水槽。 在弗吉尼亚理工和乔治华盛顿大学并行开展，使用 Coutier-Delgosha 团队设计的厘米级水槽，从最小的可控尺度开始。

第二阶段：边界层水洞。 进入美国海军学院的边界层水洞（Boundary Layer Water Tunnel），捕捉湍流边界层的完整结构——特别是那些和生物污损及柔性表面相互作用的大尺度流动。

第三阶段：高雷诺数真实海况模拟。 在乔治华盛顿大学的高雷诺数匹配折射率设施（High-Reynolds Number Matched Index of Refraction facility）中进行。这是最接近真实海洋环境的一步，研究人员将在与实际舰船航行条件相当的尺度上观察湍流和生物污损的互动。

[ 图片——左：研究人员在实验室中培养藻类和细菌以实现可控实验。右：团队将在弗吉尼亚理工的Stability Wind Tunnel中测量湍流、粗糙表面与声学的相互作用。摄影：Clark DeHart ]

不只是军舰的事

这项研究的应用远不止海军。

Bardet 在采访中说：

"我们正在推动测量技术和理解这个复杂现象的极限。它的应用远不止海军——医疗设备的清洁消毒、水下传感器的长期运行，都涉及同样的问题。理解流体如何与细菌相互作用、看不见的黏液层如何生长，这本身就是一个极其丰富的课题，高度相关，极具挑战，而且在科学上回报巨大。"

不只是军舰——但凡涉及"流体+微生物+表面"的地方，这些基础研究都会有用。医疗设备的内壁清洗、城市供水管网的生物膜控制、海洋传感器的长期维护……一层看不见的膜，背后是一门值得砸900万美元的硬科学。