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螳螂虾是完美的盾牌 它是如何激发一种新型轻质抗冲击材料的灵感来源

发布时间:2019-06-14 14:59:22 来源:

你如何保护自己免受完美的打击武器?你开发出完美的盾牌。

如果你是一只螳螂虾,它有一个足够坚韧的棍棒状臂,可以打破蛤壳,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,微小的甲壳类动物无法抵抗在栖息地上相互滑动,所以它们在它们的尾部进化出了一种专门的盾牌,称为telson,可以吸收这些物质。Telson是一种多尺度结构,外侧有脊,内部形状像螺旋形楼梯。它为头盔,汽车等提供了一种新型的轻质抗冲击材料。

由加州大学河滨分校Marlan和Rosemary Bourns工程学院能源创新的Winston Chung捐赠教授David Kisailus领导的研究; 普渡大学莱尔斯土木工程学院的教授和大学教师学者Pablo Zavattieri解开了telson的秘密 - 着眼于为体育,航空航天和众多其他应用创造更好的材料。

Kisailus的实验室研究生物复合结构作为新材料的灵感来源,杜克大学的Sheila Patek撰写了一篇关于telson吸收能量的论文,激发了他研究多尺度建筑特征对抗冲击性的作用。

有些种类的螳螂虾因其强大的指甲俱乐部而被称为粉碎虾,栖息在珊瑚礁中的蛀洞中。有限数量的合适洞穴的竞争是激烈的,螳螂使用他们的telson来保护自己免受毁灭性的​​打击。较少侵略性的螳螂虾,称为spearers - 在他们用来刺伤猎物的附属物后 - 也有一个telson。占卜者生活在沙滩上,沙滩丰富,因此与栖息地的冲突较少。

Kisailus是由空军科学研究办公室资助的多所大学资助的首席研究员,他的团队开始研究大型建筑以及两种类型的telson的内部结构,并对每个机械进行机械研究。测试。他们在这个专门的防护罩内发现了一个螺旋结构,可以防止裂缝的生长,并最终从撞击中消散大量的能量,以避免灾难性的失败。螺旋形或扭曲的类似胶合板的结构类似于研究人员之前在粉碎机的dactyl球杆中发现的结构,它允许它在不破坏自身的情况下破裂蛤壳。

“十多年来,我们一直在研究捣碎型螳螂虾的dactyl俱乐部。我们意识到,如果这些生物体以如此不可思议的力量相互撞击,那么telson必须以这样的方式构建,就像完美的一样。盾,“Kisailus说。“我们发现粉碎机的telson不仅含有螺旋状微观结构,而且粉碎类型的层数明显多于喷射型。”

Zavattieri补充道,在粉碎机所展示的保护所需的材料数量和快速部署的轻量化能力之间总是存在权衡。

“能够使用最有效的材料架构,例如螺旋面,结合巧妙的几何形状,使得这是另一种自然发现的赢家解决方案,”他说。

研究人员还揭示了高度弯曲的脊的功能,称为carinae,通过对telson及其结构的3D打印复制品进行机械测试,在粉碎的螳螂中运行telson的长度。

“当我们观察到隆突时,很明显它们沿长轴加强了telson,”Kisailus说。“但是,我们发现,当垂直于长轴施加力时,船体还允许telson向内弯曲。这使我们能够发现这些脊的非显而易见的功能,即在罢工期间吸收大量的能量。然后,巴勃罗的模型证实了我们的假设。“

Zavattieri应用简单的力学原理和计算建模来理解carinae的作用。

“我们发现这些几何特征可以导致结构行为的加强或软化。这些竞争机制原则上是反直觉的,还有更多要从这些物种中学习,”Zavattieri说。“此外,这些原则可以应用于需要轻量级碰撞保护的应用。”

Kisailus和他的团队将这些发现结合到用于头盔和其他结构材料的高抗冲击材料的开发中。

“对我们来说,这是一个非常激动人心的时刻,因为我们已经与多个实体合作,包括航空航天,体育和汽车团队,他们有兴趣实施这项技术,”Kisailus说。“我的两名团队成员目前正在与空军研究实验室合作,生产更轻,更坚固的材料。”

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