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科學研究：模仿石鱉的仿生護具
千百年來，人類在護具領域已經取得了長足的進步。但工程師發現，要很好地保護肘部和膝蓋等關(guan) 節部位，還是有一定的難度。因為(wei) 這要同時保障材料的堅固性和柔韌性，也就是說，需要在防止損傷(shang) 的同時保障靈活度。為(wei) 此，研究人員正在模仿一種不起眼的海洋動物，它的外殼極好地在保護性和靈活度之間取得了平衡。
許多甲殼類動物的硬殼都是由碳酸鈣組成的。一些被稱為(wei) 石鱉（chitons）的海洋軟體(ti) 動物不僅(jin) 具有碳酸鈣硬殼，外殼四周還被一圈堅硬的組織所包圍。科學家分析了這種海洋生物的保護外殼，研究了它是如何在不影響防禦性能的前提下自由移動的。隨後，科學家根據其形狀，通過3D打印製作了類似的護具。相關(guan) 研究發表在《自然·通訊》雜誌上。
李淩（Ling Li）是弗吉尼亞(ya) 理工學院的機械工程師，也是這項研究的共同作者，他所在的團隊對材料結構展開了係統的研究，一路從(cong) 納米尺度延伸到宏觀尺度。這些科學家共同研究了石鱉鱗片的化學成分、晶體(ti) 結構和機械性能。隨後，他們(men) 又回到更大的尺度，研究鱗片之間是如何相互作用的。要知道，石鱉隻有一個(ge) 硬幣那麽(me) 長，最大的鱗片也不過幾毫米寬，研究人員必須依靠高分辨率的X射線儀(yi) ，才能獲得動物外殼的三維結構。
研究人員發現，保護外殼的強度是通過內(nei) 扣結構實現的。每個(ge) 鱗片都有一個(ge) 菱形底座（base），延伸至光滑頂麵，彎曲後將礦化的鱗片（plate）與(yu) 相鄰鱗片鉤連起來。當外力作用於(yu) 其中某個(ge) 鱗片時，它也會(hui) 擠壓周邊的鱗片，從(cong) 而分散壓力保護鱗片下方的有機體(ti) 。研究團隊與(yu) 結構設計師合作，用3D打印設備製作了可供人類使用的柔性護具，其中的護膝就可以保護佩戴者免受碎玻璃的劃傷(shang) 。
通過打印好的成品，研究人員還可以進一步測試這些鱗片的物理性能，而不僅(jin) 僅(jin) 是依靠計算機模擬。弗朗索瓦·巴爾特拉（Francois Barthelat，並未參與(yu) 這項研究）是科羅拉多大學博爾德分校的機械工程師，他表示：“這個(ge) 係統中有很多鱗片都是相互接觸、同向移動的，如果你試圖用傳(chuan) 統的計算機模型來捕捉這個(ge) 過程，很快就會(hui) 變成一場噩夢。”他還補充說，把這些結構打印出來，或許可以更有效地展示和研究其中所涉及的原理。
李淩團隊測試了不同鱗片的結構，同時還研究了合成護具在壓力下的表現。他認為(wei) ，這種設備可以為(wei) 運動員或者從(cong) 事野外工作的科學家提供保護。巴爾特拉表示：“看起來，它可以在保證靈活性的前提下非常有效地防止割傷(shang) 。”
撰文：索菲·布什維克（Sophie Bushwick）
翻譯：林清
文章來源：環球科學
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