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最新研究:”或将推动复合材料研究与应用的整体发展

2020-10-23 08:41
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同时,研究团队还对连接铁定甲虫两部分鞘翅内侧缝(medial suture)的几何形状(看起来非常像拼图游戏的连锁部分)进行了“解剖”。Rivera 在电子显微镜内安装了一个装置,观察这种连接结构在压缩状态下的实际表现。在压缩过程中,铁定甲虫的鞘翅内侧缝慢慢分层,但在类似“拼图”的部位没有出现断裂或破碎。

“当你试图打破一块拼图时,你希望它在最薄的部分断开,” Kisailus 说,“但我们并没有在铁定甲虫身上看到这种情况发生。” Kisailus 说。

他们用碳纤维增强塑料模拟了铁定甲虫外骨骼上的椭圆形连接部件,通过将仿生复合材料加到一个铝接头上并进行机械测试,来确定与标准航空航天紧固件相比,这种结构在结合不同材料方面是否存在任何优势。令人可喜的是,结果是肯定的。当前,他们试图在大自然中发现一种新物质并借助一种新方法将飞机的各个部件融合在一起,舍弃传统的铆钉和紧固件,因为这些零部件所在的位置往往是应力薄弱点。

一直以来,Kisailus 的实验室始终基于生物特性制造先进的纤维增强复合材料,他认为人类有望在铁定甲虫的外骨骼或者其他生物系统中找到造福人类的新物质。

“这项研究真正将生物学、物理学、力学和材料科学等领域与工程应用联系起来,这在此前的研究中是不常见的,幸运的是,我们得到了美国空军的支持,成功组建了这样一个多学科团队。” Kisailus 说。

这只虫子,并非只会抗压

Rivera 等人在进一步的显微镜观察中发现,铁定甲虫的外骨骼具有三种不同的侧向支撑类型,根据界面的几何形状,可以分为交织型(interdigitated)、闭锁型(latching)和独立型(free-standing)。

为了进一步证实他们的实验观察,研究人员使用 3D 打印技术设计出了与铁定甲虫相同的结构,实验测试结果表明,交织型结构可以提供最大的强度和耐用性。这一部分的外表面有一排被称为微刺(microtrichia)的棒状物,它们可以充当摩擦垫,提供针对滑移的阻力。

三种不同的侧向支撑类型,使得铁定甲虫既能抗压,也能“变形”。交织型结构可以为铁定甲虫的外骨骼提供最大的强度和耐用性;而闭锁型和独立型结构则可以使铁定甲虫的外骨骼实现“变形”,由于这种特性,甲虫可以挤进岩石或树皮的缝隙中,就像蟑螂一样,这激发了一种可压缩机器人(可以挤进狭小的空间并在里面移动,用于在灾难发生后搜寻倒塌建筑物中的幸存者)或装甲车的设计灵感。

陈柏宇(Po-Yu Chen)研究者对这一研究评价道, “这一发现为制造坚固可靠的工程接头提供了新的方法”“他们将先进的表征方法与机械测试、模拟和 3D 打印结合,为研究其他具有复杂结构的自然材料提供了模板”。

但他同时也认为,Kisailus、Rivera 等人的研究工作还需要做进一步的评估,比如这种结构在压缩、弯曲和扭转状态下的特性,以及随着时间推移材料抗疲劳性的变化,而且他们的工作主要集中在研究亚毫米和宏观尺度上的力学性能,但在鞘翅较低层次(较小尺度)结构特征的影响,还需要通过多尺度建模和实验来探索,“使用人工智能和机器学习的新方法可能会加速基于铁定甲虫鞘翅的层级结构材料的搜索。”

人类源自自然,面对大自然的鬼斧神工与生物进化演进规律,人类需要保持敬畏和谦卑。未来,随着科技的不断发展以及我们对于人类之外世界认知程度的持续加深,我们将在向自然生物学习的过程中,实现更好的自然生态。


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