科學研究：模仿石鱉的仿生護具

千百年來，人類在護具領(lǐng)域已經(jīng)取得了長足的進步。但工程師發(fā)現(xiàn)，要很好地保護肘部和膝蓋等關(guān)節(jié)部位，還是有一定的難度。因為這要同時保障材料的堅固性和柔韌性，也就是說，需要在防止損傷的同時保障靈活度。為此，研究人員正在模仿一種不起眼的海洋動物，它的外殼極好地在保護性和靈活度之間取得了平衡。

許多甲殼類動物的硬殼都是由碳酸鈣組成的。一些被稱為石鱉（chitons）的海洋軟體動物不僅具有碳酸鈣硬殼，外殼四周還被一圈堅硬的組織所包圍。科學家分析了這種海洋生物的保護外殼，研究了它是如何在不影響防御性能的前提下自由移動的。隨后，科學家根據(jù)其形狀，通過3D打印制作了類似的護具。相關(guān)研究發(fā)表在《自然·通訊》雜志上。

李凌（Ling Li）是弗吉尼亞理工學院的機械工程師，也是這項研究的共同作者，他所在的團隊對材料結(jié)構(gòu)展開了系統(tǒng)的研究，一路從納米尺度延伸到宏觀尺度。這些科學家共同研究了石鱉鱗片的化學成分、晶體結(jié)構(gòu)和機械性能。隨后，他們又回到更大的尺度，研究鱗片之間是如何相互作用的。要知道，石鱉只有一個硬幣那么長，最大的鱗片也不過幾毫米寬，研究人員必須依靠高分辨率的X射線儀，才能獲得動物外殼的三維結(jié)構(gòu)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，保護外殼的強度是通過內(nèi)扣結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。每個鱗片都有一個菱形底座（base），延伸至光滑頂面，彎曲后將礦化的鱗片（plate）與相鄰鱗片鉤連起來。當外力作用于其中某個鱗片時，它也會擠壓周邊的鱗片，從而分散壓力保護鱗片下方的有機體。研究團隊與結(jié)構(gòu)設(shè)計師合作，用3D打印設(shè)備制作了可供人類使用的柔性護具，其中的護膝就可以保護佩戴者免受碎玻璃的劃傷。

通過打印好的成品，研究人員還可以進一步測試這些鱗片的物理性能，而不僅僅是依靠計算機模擬。弗朗索瓦·巴爾特拉（Francois Barthelat，并未參與這項研究）是科羅拉多大學博爾德分校的機械工程師，他表示：“這個系統(tǒng)中有很多鱗片都是相互接觸、同向移動的，如果你試圖用傳統(tǒng)的計算機模型來捕捉這個過程，很快就會變成一場噩夢?！彼€補充說，把這些結(jié)構(gòu)打印出來，或許可以更有效地展示和研究其中所涉及的原理。

李凌團隊測試了不同鱗片的結(jié)構(gòu)，同時還研究了合成護具在壓力下的表現(xiàn)。他認為，這種設(shè)備可以為運動員或者從事野外工作的科學家提供保護。巴爾特拉表示：“看起來，它可以在保證靈活性的前提下非常有效地防止割傷。”

撰文：索菲·布什維克（Sophie Bushwick）

翻譯：林清

文章來源：環(huán)球科學

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