你如何保護(hù)自己免受完美的打擊武器?你開(kāi)發(fā)出完美的盾牌。
如果你是一只螳螂蝦，它有一個(gè)足夠堅(jiān)韌的棍棒狀臂，可以打破蛤殼，你最好不要和你的好朋友打架。但是，在海洋中最具活力的生物中，微小的甲殼類(lèi)動(dòng)物無(wú)法抵抗在棲息地上相互滑動(dòng)，所以它們?cè)谒鼈兊奈膊窟M(jìn)化出了一種專(zhuān)門(mén)的盾牌，稱(chēng)為telson，可以吸收這些物質(zhì)。Telson是一種多尺度結(jié)構(gòu)，外側(cè)有脊，內(nèi)部形狀像螺旋形樓梯。它為頭盔，汽車(chē)等提供了一種新型的輕質(zhì)抗沖擊材料。
由加州大學(xué)河濱分校Marlan和Rosemary Bourns工程學(xué)院能源創(chuàng)新的Winston Chung捐贈(zèng)教授David Kisailus領(lǐng)導(dǎo)的研究;普渡大學(xué)萊爾斯土木工程學(xué)院的教授和大學(xué)教師學(xué)者Pablo Zavattieri解開(kāi)了telson的秘密 - 著眼于為體育，航空航天和眾多其他應(yīng)用創(chuàng)造更好的材料。
Kisailus的實(shí)驗(yàn)室研究生物復(fù)合結(jié)構(gòu)作為新材料的靈感來(lái)源，杜克大學(xué)的Sheila Patek撰寫(xiě)了一篇關(guān)于telson吸收能量的論文，激發(fā)了他研究多尺度建筑特征對(duì)抗沖擊性的作用。
有些種類(lèi)的螳螂蝦因其強(qiáng)大的指甲俱樂(lè)部而被稱(chēng)為粉碎蝦，棲息在珊瑚礁中的蛀洞中。有限數(shù)量的合適洞穴的競(jìng)爭(zhēng)是激烈的，螳螂使用他們的telson來(lái)保護(hù)自己免受毀滅性的??打擊。較少侵略性的螳螂蝦，稱(chēng)為spearers - 在他們用來(lái)刺傷獵物的附屬物后 - 也有一個(gè)telson。占卜者生活在沙灘上，沙灘豐富，因此與棲息地的沖突較少。
Kisailus是由空軍科學(xué)研究辦公室資助的多所大學(xué)資助的首席研究員，他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究大型建筑以及兩種類(lèi)型的telson的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并對(duì)每個(gè)機(jī)械進(jìn)行機(jī)械研究。測(cè)試。他們?cè)谶@個(gè)專(zhuān)門(mén)的防護(hù)罩內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)，可以防止裂縫的生長(zhǎng)，并最終從撞擊中消散大量的能量，以避免災(zāi)難性的失敗。螺旋形或扭曲的類(lèi)似膠合板的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于研究人員之前在粉碎機(jī)的dactyl球桿中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，它允許它在不破壞自身的情況下破裂蛤殼。
“十多年來(lái)，我們一直在研究搗碎型螳螂蝦的dactyl俱樂(lè)部。我們意識(shí)到，如果這些生物體以如此不可思議的力量相互撞擊，那么telson必須以這樣的方式構(gòu)建，就像完美的一樣。盾，“Kisailus說(shuō)。“我們發(fā)現(xiàn)粉碎機(jī)的telson不僅含有螺旋狀微觀結(jié)構(gòu)，而且粉碎類(lèi)型的層數(shù)明顯多于噴射型。”
Zavattieri補(bǔ)充道，在粉碎機(jī)所展示的保護(hù)所需的材料數(shù)量和快速部署的輕量化能力之間總是存在權(quán)衡。
“能夠使用最有效的材料架構(gòu)，例如螺旋面，結(jié)合巧妙的幾何形狀，使得這是另一種自然發(fā)現(xiàn)的贏家解決方案，”他說(shuō)。
研究人員還揭示了高度彎曲的脊的功能，稱(chēng)為carinae，通過(guò)對(duì)telson及其結(jié)構(gòu)的3D打印復(fù)制品進(jìn)行機(jī)械測(cè)試，在粉碎的螳螂中運(yùn)行telson的長(zhǎng)度。
“當(dāng)我們觀察到隆突時(shí)，很明顯它們沿長(zhǎng)軸加強(qiáng)了telson，”Kisailus說(shuō)。“但是，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)垂直于長(zhǎng)軸施加力時(shí)，船體還允許telson向內(nèi)彎曲。這使我們能夠發(fā)現(xiàn)這些脊的非顯而易見(jiàn)的功能，即在罷工期間吸收大量的能量。然后，巴勃羅的模型證實(shí)了我們的假設(shè)。“
Zavattieri應(yīng)用簡(jiǎn)單的力學(xué)原理和計(jì)算建模來(lái)理解carinae的作用。
“我們發(fā)現(xiàn)這些幾何特征可以導(dǎo)致結(jié)構(gòu)行為的加強(qiáng)或軟化。這些競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制原則上是反直覺(jué)的，還有更多要從這些物種中學(xué)習(xí)，”Zavattieri說(shuō)。“此外，這些原則可以應(yīng)用于需要輕量級(jí)碰撞保護(hù)的應(yīng)用。”
Kisailus和他的團(tuán)隊(duì)將這些發(fā)現(xiàn)結(jié)合到用于頭盔和其他結(jié)構(gòu)材料的高抗沖擊材料的開(kāi)發(fā)中。
“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常激動(dòng)人心的時(shí)刻，因?yàn)槲覀円呀?jīng)與多個(gè)實(shí)體合作，包括航空航天，體育和汽車(chē)團(tuán)隊(duì)，他們有興趣實(shí)施這項(xiàng)技術(shù)，”Kisailus說(shuō)。“我的兩名團(tuán)隊(duì)成員目前正在與空軍研究實(shí)驗(yàn)室合作，生產(chǎn)更輕，更堅(jiān)固的材料。”