科學(xué)研究：模仿石鱉的仿生護(hù)具

千百年來(lái)，人類(lèi)在護(hù)具領(lǐng)域已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但工程師發(fā)現(xiàn)，要很好地保護(hù)肘部和膝蓋等關(guān)節(jié)部位，還是有一定的難度。因?yàn)檫@要同時(shí)保障材料的堅(jiān)固性和柔韌性，也就是說(shuō)，需要在防止損傷的同時(shí)保障靈活度。為此，研究人員正在模仿一種不起眼的海洋動(dòng)物，它的外殼極好地在保護(hù)性和靈活度之間取得了平衡。

許多甲殼類(lèi)動(dòng)物的硬殼都是由碳酸鈣組成的。一些被稱(chēng)為石鱉（chitons）的海洋軟體動(dòng)物不僅具有碳酸鈣硬殼，外殼四周還被一圈堅(jiān)硬的組織所包圍。科學(xué)家分析了這種海洋生物的保護(hù)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(dòng)的。隨后，科學(xué)家根據(jù)其形狀，通過(guò)3D打印制作了類(lèi)似的護(hù)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(xué)院的機(jī)械工程師，也是這項(xiàng)研究的共同作者，他所在的團(tuán)隊(duì)對(duì)材料結(jié)構(gòu)展開(kāi)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(xué)家共同研究了石鱉鱗片的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和機(jī)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(gè)硬幣那么長(zhǎng)，最大的鱗片也不過(guò)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(dòng)物外殼的三維結(jié)構(gòu)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，保護(hù)外殼的強(qiáng)度是通過(guò)內(nèi)扣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)鱗片都有一個(gè)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(lái)。當(dāng)外力作用于其中某個(gè)鱗片時(shí)，它也會(huì)擠壓周邊的鱗片，從而分散壓力保護(hù)鱗片下方的有機(jī)體。研究團(tuán)隊(duì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師合作，用3D打印設(shè)備制作了可供人類(lèi)使用的柔性護(hù)具，其中的護(hù)膝就可以保護(hù)佩戴者免受碎玻璃的劃傷。

通過(guò)打印好的成品，研究人員還可以進(jìn)一步測(cè)試這些鱗片的物理性能，而不僅僅是依靠計(jì)算機(jī)模擬。弗朗索瓦·巴爾特拉（Francois Barthelat，并未參與這項(xiàng)研究）是科羅拉多大學(xué)博爾德分校的機(jī)械工程師，他表示：“這個(gè)系統(tǒng)中有很多鱗片都是相互接觸、同向移動(dòng)的，如果你試圖用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型來(lái)捕捉這個(gè)過(guò)程，很快就會(huì)變成一場(chǎng)噩夢(mèng)?！彼€補(bǔ)充說(shuō)，把這些結(jié)構(gòu)打印出來(lái)，或許可以更有效地展示和研究其中所涉及的原理。

李凌團(tuán)隊(duì)測(cè)試了不同鱗片的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還研究了合成護(hù)具在壓力下的表現(xiàn)。他認(rèn)為，這種設(shè)備可以為運(yùn)動(dòng)員或者從事野外工作的科學(xué)家提供保護(hù)。巴爾特拉表示：“看起來(lái)，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(lái)源：環(huán)球科學(xué)

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