來自蝦的靈感 研究人員開發(fā)超強(qiáng)3D打印結(jié)構(gòu)

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我們不會(huì)飛，于是我們模仿鳥，最終造出了飛機(jī)；我們模仿蝙蝠的超聲波，最終造出了雷達(dá)；我們以前住的瓦房，瓦的擺放也是模仿了動(dòng)物鱗甲。我們?nèi)祟惥褪窃诓粩嗄７聞?dòng)物中進(jìn)步的，這也是我們區(qū)別于其他動(dòng)物最終進(jìn)化到高級(jí)文明的重要原因之一。動(dòng)物世界是豐富的，我們一直不斷從中攫取著有用的訊息。

日前，加州大學(xué)河濱分校和普渡大學(xué)的研究人員從皮皮蝦身上獲得靈感，開發(fā)出了一種超強(qiáng)的新型3D打印結(jié)構(gòu)。研究人員模擬的是這種甲殼動(dòng)物用來打擊獵物的棒狀附肢，該肢體由一種不同尋常的人字形結(jié)構(gòu)組成。

蝦蛄可以分為穿刺型（spearers）和粉碎型（smashers）兩類，粉碎型蝦蛄節(jié)肢末節(jié)的踝部卻異常的擴(kuò)大、堅(jiān)硬，再加上長節(jié)含有強(qiáng)健的肌肉，這使得粉碎型蝦蛄的攻擊附肢非常具有破壞力，粉碎型蝦蛄的攻擊性附肢揮舞起來加速度可達(dá)10000G，這會(huì)對(duì)其獵物造成毀滅性打擊。

當(dāng)然，讓粉碎型蝦姑的棒狀附肢威力如此巨大的原因，不僅僅在于其揮舞的速度，其堅(jiān)硬的外殼也功不可沒，蝦蛄棒狀附肢的外殼可以承受蝦蛄多次強(qiáng)力擊打獵物而完好無損。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，蝦蛄的棒狀附肢是由幾個(gè)不同的區(qū)域組成的，每個(gè)區(qū)域都以一種不同的方式為其整體強(qiáng)度的提升做出貢獻(xiàn)，其內(nèi)部的“周期性”區(qū)域，包括一個(gè)有機(jī)面和磷酸三鈣/鈣碳酸鹽面，能夠吸收能量，過濾出剪切波。

該項(xiàng)目得到了美國空軍科研辦公室下面的一項(xiàng)750萬美元的多大學(xué)研究計(jì)劃的資金支持。研究團(tuán)隊(duì)主要關(guān)注的是粉碎型蝦蛄棒狀附肢的一個(gè)與眾不同的部分——“沖擊區(qū)域（impact region）”，這個(gè)區(qū)域位于其附肢的外側(cè)。

Kisailus稱這一區(qū)域能夠啟發(fā)他們開發(fā)出超強(qiáng)的3D打印結(jié)構(gòu)，該沖擊區(qū)域由晶體磷酸鈣圍繞著殼質(zhì)纖維組成，這些材料很緊湊地形成了一種不同尋常的人字形結(jié)構(gòu)，這種整齊有序的結(jié)構(gòu)既有助于盡量減少對(duì)其節(jié)肢的沖擊力，又能夠最大限度對(duì)打擊目標(biāo)造成傷害。

由于之前從來沒有在自然界中發(fā)現(xiàn)過這種人字形結(jié)構(gòu)，研究人員們?yōu)榇烁械椒浅Ｅd奮?！拔覀儚囊郧暗难芯恐械弥r蛄的沖擊區(qū)域能夠在將令人難以置信的動(dòng)量轉(zhuǎn)移給獵物時(shí)避免斷裂，而令人興奮的是，通過我們的研究發(fā)現(xiàn)其高度耐沖擊的特性是由這種全新的人字形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的?！盞isailus團(tuán)隊(duì)里的研究生Nicholas Yaraghi說。

為了確認(rèn)這個(gè)人字形結(jié)構(gòu)的假說，Kisailus團(tuán)隊(duì)還跟普渡大學(xué)的土木工程副教授Pablo Zavattieri帶領(lǐng)的另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了合作。兩家團(tuán)隊(duì)共同進(jìn)行了有限元分析，并在一臺(tái)3D打印機(jī)上使用合成材料以更大的尺寸重建了該結(jié)構(gòu)。

計(jì)算模型表明，人字形結(jié)構(gòu)有助于應(yīng)力在其棒狀附肢上的均勻分布，并減少結(jié)構(gòu)失效的可能性。隨后，研究人員又對(duì)3D打印的模型進(jìn)行了壓縮測試，結(jié)果顯示人字形結(jié)構(gòu)，能有效地重新分配應(yīng)力和偏轉(zhuǎn)裂縫——與附肢內(nèi)部周期性區(qū)域相比更是如此。Zavattieri團(tuán)隊(duì)的成員Nicolas Guarín-Zapata說：“盡管數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果已經(jīng)令人信服地確認(rèn)了應(yīng)力在該結(jié)構(gòu)中的重新分布，但是當(dāng)我們對(duì)3D打印的樣本進(jìn)行測試的時(shí)候仍然感到驚喜。”

研究人員們認(rèn)為，他們的研究結(jié)果將對(duì)海洋生物學(xué)和先進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)生影響。Kisailus稱可以復(fù)制這種特殊的人字形結(jié)構(gòu)，以生成新型的高強(qiáng)度3D打印結(jié)構(gòu)，以用于汽車和航空航天零部件，以及裝甲等。

Kisailus說：“我們對(duì)這種小生物及其多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了解的越多，就越發(fā)意識(shí)到它可以幫助我們設(shè)計(jì)出更好的飛機(jī)、汽車、運(yùn)動(dòng)器材和盔甲。通過使用3D打印技術(shù)，我們實(shí)際上可以根據(jù)粉碎型蝦蛄身上學(xué)到的體系結(jié)構(gòu)，借助傳統(tǒng)的工程材料制造出新型復(fù)合材料?！?/p>

靈感看似是一時(shí)的，但離不開科學(xué)家長期的研究積累，任何一項(xiàng)技術(shù)都是如此。當(dāng)然不是說靈感不重要，在研究陷入困境的時(shí)候，某些靈感確實(shí)能夠給研究帶來突破。

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