超材料与流体流动

用智能材料塑造空气与水流

每架飞机、每艘船、每台风力机，甚至微型的芯片实验装置，都需要与空气或水相互作用，这会消耗能量并常常产生大量噪声。本文综述探讨了一类称为“超材料”的新型“设计材料”如何被构建到表面与结构中，以温和地引导这些流动，从而降低阻力、振动与噪声。通过在显微尺度上重新思考什么是表面，工程师可以将曾经被动的墙面转变为主动的伙伴，管理流体如何运动以及波如何传播。

为何流动与结构需要相互作用

当空气或水流经固体物体（例如机翼或船体）时，流动与结构不断相互作用。这种相互影响决定了燃料消耗、噪声水平以及零部件磨损速度。作者指出，超材料为这一问题提供了新的工具包。设计者不必仅使用光滑的金属表皮，而可以在表面下或表面内部嵌入精心排列的图案层。这些图案引导固体内部的机械波与声波，进而影响表面上方的流动。综述阐明了流体力学、声学与固体力学的共同语言与基本方程，帮助预测这类耦合系统的行为。

驯服不稳定、分离与湍流

文章的重要部分集中在有结构材料如何平抑或重塑不同类型的流动。在即将转向混沌的温和层流中，微小波动可能增长为全面的湍流。称为声子次表层的特殊地下晶格被设计成以恰当方式振动，以在这些波动爆发前将其抵消。柔性或多孔涂层和微型纹理肋条可以推迟机翼和车体上的流动分离，有助于维持升力并降低阻力。对于完全湍流的流动，经工程化的孔隙度、共振腔和有纹理的墙面可以扰乱靠近表面的自维持漩涡循环，提供降低摩擦和传热的新途径。

降低噪声与引导微小颗粒

流动常伴随噪声，从喷气发动机和风力机到办公楼的通风系统。论文综述了如何将允许气流通过但能捕捉声音的声学超材料构建到管道、进气口和整流罩中。利用共振腔和迷宫式通道，这些“通风式”设计可以在不阻塞流动的情况下吸收或反射特定频率的声波。在更小的尺度上，类似思想驱动着声学生物流体装置：微通道内的声波可以推动、捕获或分选微小颗粒与生物细胞。超表面与声子晶体能创造复杂的声场，移动液滴、收集纳米粒子或暂时将颗粒组装成类晶体结构，且无需直接接触。

推动波与流控制的边界

超越直接的工程应用，作者强调了可能很快影响流动控制的更为前沿的概念。拓扑材料可以承载贴边与角落并抗干扰的波路径，提供在复杂流体环境中稳健的振动或声波通道。非局域材料表现出远处区域相互关联的行为，导致异常的内部流动与波模式。时空超材料在空间与时间上同时变化的性质可以使波在相反方向上表现不同，并可被调谐以响应变化的流动条件。新的理论将这些想法与我们关于波在曲率空间中传播的理解联系起来，提出了关于对流与气动声学设计的新思路。

从智能表面到自适应机械

结论中，文章认为超材料可能改变工程师管理结构周围气水的方式。未来的设计可能不再主要依赖大型几何形状的外形调整，而是在内部嵌入智能有图案的层，从内部塑造波与流。这种方法有望减少燃料消耗、降低噪声并延长机器寿命，应用领域涵盖航空与航运到可再生能源与生物医学设备。作者认为下一重要步骤是结合先进建模、现代制造与数据驱动的控制，使表面能够实时适应周围流动，从而悄然地让复杂系统更高效地运行。

引用: Avallone, F., Bosia, F., Chen, Y. et al. Metamaterials and Fluid Flows. Nat Commun 17, 4144 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70163-2

关键词: 超材料, 流体流动控制, 气动声学, 湍流, 声学生物流体学