浙大科學家受烏賊啟發(fā)開3D打印抗沖擊仿生結構

魔猴君  行業(yè)資訊   1368天前

中國浙江大學的研究人員已經開發(fā)出了一套具有獨特能量吸收能力的新型仿生細胞狀結構。受烏賊堅硬而靈活的骨架啟發(fā)，科學家的3D打印模型被證明具有超強的抗壓能力，能夠承受高達自身重量20,000倍的變形。將來，該團隊相信他們的設計可以復制到其他地方，以開發(fā)新型的輕質耐沖擊材料，其應用范圍從航空航天建造到裝甲板。

科學家在論文中說：“具有最佳性能的類似烏賊骨的蜂窩材料非常適合在許多領域中應用，例如飛機，防彈衣，輕型車輛和建筑材料。除了常規(guī)的機械超材料以外，它們還為機械效率高的細胞結構提供了新的生物學設計?！?/span>

受自然啟發(fā)的3D打印

自然世界充滿了竹，輕木和某些動物骨頭等材料的示例，這些材料超輕便，但具有極其耐用的細胞結構。不過，就剛性而言，墨魚具有特別出色的多孔骨架，通過改變不同深度的浮力，它能夠抵抗深海環(huán)境中的巨大靜水壓力。

為了確定墨魚變形能力的精確來源，科學家因此選擇對墨魚標本進行微CT掃描。在壓縮狀態(tài)下，研究小組發(fā)現(xiàn)樣品從一層到另一層連續(xù)破裂，但是當頂層受到破壞時，其底層仍然完好無損，這種機制旨在保護烏賊免受掠奪性攻擊。

更重要的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)了天然存在的文石礦物在海洋生物防御機制中的作用，以及其整體S形片狀結構。利用這些信息，在隨后的實驗中，研究小組著手建立了具有刀骨狀架構的3D打印蜂窩材料，從而最好地模仿了真品的形狀和形成。

烏賊骨骼布局的SEM和micro-CT圖像。圖片來自“高級材料”期刊。

耐沖擊仿生模型

為了更深入地評估烏賊骨的力學，科學家3D打印了五種仿生布局：八角形桁架格，開爾文泡沫，陀螺結構，開爾文三明治和蜂窩狀三明治板。每個結構都具有在真實墨魚中看到的層的簡化版本，相互連接的墻壁模仿了它們的有機元素。在早期測試中，所有聚合物原型都在壓縮狀態(tài)下彎曲，但研究小組發(fā)現(xiàn)，標本壁的形狀對其抵抗力產生了巨大影響。實際上，與其他常規(guī)形狀的零件相比，科學家們不得不向類似烏賊骨的原型施加更大的壓力，以使它們從側面倒塌。

在這些最初發(fā)現(xiàn)的基礎上，研究人員隨后配制了一系列細胞材料，可以更好地模仿烏賊骨的結構和機械行為。與傳統(tǒng)的聚合物泡沫相比，這些原型的能量吸收提高了20到25倍，并且最終證明它們能夠在不損失結構完整性的情況下被整輛汽車碾磨。研究結束時，研究小組強調了3D打印如何為他們提供釋放仿生材料潛力所需的設計自由度，并建議未來使用陶瓷或金屬，可以制造出具有更大抵抗力的增強結構品質。

研究人員在論文中總結道：“具有輕質，高強度和出色的能量吸收能力，這種受生物啟發(fā)的細胞材料可能會在航空航天結構和可植入設備等領域獲得廣泛的應用。我們的研究突出了通過生物啟發(fā)的3D打印進行高性能細胞材料設計和工程的可能性?！?/span>

承重晶格的研究進展

盡管網格3D打印部件的高強度重量比在行業(yè)內是眾所周知的，但科學家們仍在繼續(xù)尋找產生新穎設計的方法。與浙江科學家一樣，臺灣科技大學的研究人員也采用了海洋啟發(fā)的方法來創(chuàng)建一種新型的承重材料。根據海膽的形態(tài)，該團隊的機械穩(wěn)定FDM燈絲在打印過程中不需要使用任何支撐結構。

同樣，菲尼克斯分析與設計技術公司也獲得了美國航天局的755,000美元資助，以幫助開發(fā)更堅固，更輕的結構，以便在太空探索中使用。具體來說，該公司已獲得研究資助，以創(chuàng)建一種軟件工具，用于設計，測試和3D打印堅固，輕巧，受生物啟發(fā)的航空航天格子。

在其他地方，加州大學伯克利分校的工程師展示了將3D打印的聚合物八邊形格子結合到混凝土結構中的好處。通過將塑料整合到他們的印刷材料中，該團隊發(fā)現(xiàn)他們可以減輕承重結構的重量，而不會降低其耐用性。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guoneidongtai/40137.html