浙大科學(xué)家受烏賊啟發(fā)開3D打印抗沖擊仿生結(jié)構(gòu)

魔猴君  行業(yè)資訊   1306天前

中國浙江大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了一套具有獨(dú)特能量吸收能力的新型仿生細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)。受烏賊堅(jiān)硬而靈活的骨架啟發(fā)，科學(xué)家的3D打印模型被證明具有超強(qiáng)的抗壓能力，能夠承受高達(dá)自身重量20,000倍的變形。將來，該團(tuán)隊(duì)相信他們的設(shè)計(jì)可以復(fù)制到其他地方，以開發(fā)新型的輕質(zhì)耐沖擊材料，其應(yīng)用范圍從航空航天建造到裝甲板。

科學(xué)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(lǐng)域中應(yīng)用，例如飛機(jī)，防彈衣，輕型車輛和建筑材料。除了常規(guī)的機(jī)械超材料以外，它們還為機(jī)械效率高的細(xì)胞結(jié)構(gòu)提供了新的生物學(xué)設(shè)計(jì)。”

受自然啟發(fā)的3D打印

自然世界充滿了竹，輕木和某些動(dòng)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(xì)胞結(jié)構(gòu)。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(xué)家因此選擇對(duì)墨魚標(biāo)本進(jìn)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(dāng)頂層受到破壞時(shí)，其底層仍然完好無損，這種機(jī)制旨在保護(hù)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(jī)制中的作用，以及其整體S形片狀結(jié)構(gòu)。利用這些信息，在隨后的實(shí)驗(yàn)中，研究小組著手建立了具有刀骨狀架構(gòu)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(jí)材料”期刊。

耐沖擊仿生模型

為了更深入地評(píng)估烏賊骨的力學(xué)，科學(xué)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(jié)構(gòu)，開爾文三明治和蜂窩狀三明治板。每個(gè)結(jié)構(gòu)都具有在真實(shí)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(jī)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(biāo)本壁的形狀對(duì)其抵抗力產(chǎn)生了巨大影響。實(shí)際上，與其他常規(guī)形狀的零件相比，科學(xué)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(cè)面倒塌。

在這些最初發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，研究人員隨后配制了一系列細(xì)胞材料，可以更好地模仿烏賊骨的結(jié)構(gòu)和機(jī)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(jié)構(gòu)完整性的情況下被整輛汽車碾磨。研究結(jié)束時(shí)，研究小組強(qiáng)調(diào)了3D打印如何為他們提供釋放仿生材料潛力所需的設(shè)計(jì)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(qiáng)結(jié)構(gòu)品質(zhì)。

研究人員在論文中總結(jié)道：“具有輕質(zhì)，高強(qiáng)度和出色的能量吸收能力，這種受生物啟發(fā)的細(xì)胞材料可能會(huì)在航空航天結(jié)構(gòu)和可植入設(shè)備等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。我們的研究突出了通過生物啟發(fā)的3D打印進(jìn)行高性能細(xì)胞材料設(shè)計(jì)和工程的可能性。”

承重晶格的研究進(jìn)展

盡管網(wǎng)格3D打印部件的高強(qiáng)度重量比在行業(yè)內(nèi)是眾所周知的，但科學(xué)家們?nèi)栽诶^續(xù)尋找產(chǎn)生新穎設(shè)計(jì)的方法。與浙江科學(xué)家一樣，臺(tái)灣科技大學(xué)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(jù)海膽的形態(tài)，該團(tuán)隊(duì)的機(jī)械穩(wěn)定FDM燈絲在打印過程中不需要使用任何支撐結(jié)構(gòu)。

同樣，菲尼克斯分析與設(shè)計(jì)技術(shù)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(jiān)固，更輕的結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)，測試和3D打印堅(jiān)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(xué)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(jié)合到混凝土結(jié)構(gòu)中的好處。通過將塑料整合到他們的印刷材料中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們可以減輕承重結(jié)構(gòu)的重量，而不會(huì)降低其耐用性。

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