來自蝦的靈感 研究人員開發超強3D打印結構

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我們不會飛，于是我們模仿鳥，最終造出了飛機；我們模仿蝙蝠的超聲波，最終造出了雷達；我們以前住的瓦房，瓦的擺放也是模仿了動物鱗甲。我們人類就是在不斷模仿動物中進步的，這也是我們區別于其他動物最終進化到高級文明的重要原因之一。動物世界是豐富的，我們一直不斷從中攫取著有用的訊息。

日前，加州大學河濱分校和普渡大學的研究人員從皮皮蝦身上獲得靈感，開發出了一種超強的新型3D打印結構。研究人員模擬的是這種甲殼動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構組成。

蝦蛄可以分為穿刺型（spearers）和粉碎型（smashers）兩類，粉碎型蝦蛄節肢末節的踝部卻異常的擴大、堅硬，再加上長節含有強健的肌肉，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10000G，這會對其獵物造成毀滅性打擊。

當然，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力擊打獵物而完好無損。經研究發現，蝦蛄的棒狀附肢是由幾個不同的區域組成的，每個區域都以一種不同的方式為其整體強度的提升做出貢獻，其內部的“周期性”區域，包括一個有機面和磷酸三鈣/鈣碳酸鹽面，能夠吸收能量，過濾出剪切波。

該項目得到了美國空軍科研辦公室下面的一項750萬美元的多大學研究計劃的資金支持。研究團隊主要關注的是粉碎型蝦蛄棒狀附肢的一個與眾不同的部分——“沖擊區域（impact region）”，這個區域位于其附肢的外側。

Kisailus稱這一區域能夠啟發他們開發出超強的3D打印結構，該沖擊區域由晶體磷酸鈣圍繞著殼質纖維組成，這些材料很緊湊地形成了一種不同尋常的人字形結構，這種整齊有序的結構既有助于盡量減少對其節肢的沖擊力，又能夠最大限度對打擊目標造成傷害。

由于之前從來沒有在自然界中發現過這種人字形結構，研究人員們為此感到非常興奮。“我們從以前的研究中得知，蝦蛄的沖擊區域能夠在將令人難以置信的動量轉移給獵物時避免斷裂，而令人興奮的是，通過我們的研究發現其高度耐沖擊的特性是由這種全新的人字形結構產生的。”Kisailus團隊里的研究生Nicholas Yaraghi說。

為了確認這個人字形結構的假說，Kisailus團隊還跟普渡大學的土木工程副教授Pablo Zavattieri帶領的另一個研究團隊進行了合作。兩家團隊共同進行了有限元分析，并在一臺3D打印機上使用合成材料以更大的尺寸重建了該結構。

計算模型表明，人字形結構有助于應力在其棒狀附肢上的均勻分布，并減少結構失效的可能性。隨后，研究人員又對3D打印的模型進行了壓縮測試，結果顯示人字形結構，能有效地重新分配應力和偏轉裂縫——與附肢內部周期性區域相比更是如此。Zavattieri團隊的成員Nicolas Guarín-Zapata說：“盡管數值模擬計算結果已經令人信服地確認了應力在該結構中的重新分布，但是當我們對3D打印的樣本進行測試的時候仍然感到驚喜。”

研究人員們認為，他們的研究結果將對海洋生物學和先進制造業產生影響。Kisailus稱可以復制這種特殊的人字形結構，以生成新型的高強度3D打印結構，以用于汽車和航空航天零部件，以及裝甲等。

Kisailus說：“我們對這種小生物及其多層結構設計了解的越多，就越發意識到它可以幫助我們設計出更好的飛機、汽車、運動器材和盔甲。通過使用3D打印技術，我們實際上可以根據粉碎型蝦蛄身上學到的體系結構，借助傳統的工程材料制造出新型復合材料。”

靈感看似是一時的，但離不開科學家長期的研究積累，任何一項技術都是如此。當然不是說靈感不重要，在研究陷入困境的時候，某些靈感確實能夠給研究帶來突破。

本文部分內容來源于中關村在線

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