自中世紀盔甲時代以來，防護裝備已經取得了長足的進步。但工程師們仍然難以保護肘部和膝蓋等關節，這需要材料既要足夠堅韌以防止受傷，又要足夠靈活以允許運動。為此，研究人員正在模仿一種不起眼的海生動物，它的外殼在保護性和靈活性之間取得了顯著的平衡。
某些種類的海洋軟體動物，稱為石鱉，被堅韌的組織帶環繞，並覆蓋著碳酸鈣的重疊鱗片，碳酸鈣是包裹許多貝類生物的堅硬化合物。科學家們分析了這種海洋盔甲，以瞭解它如何在不損害防禦能力的情況下提供運動自由，然後根據其形狀 3D 列印了防護裝備。這項工作於去年 12 月發表在《自然通訊》上。
圖片來源：出自 M. Connors 等人在《自然通訊》第 10 卷，第 5413 條，2019 年 12 月 10 日發表的“基於石鱉鱗片的仿生柔性盔甲設計”
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“我們對材料結構進行了從奈米到宏觀尺度的系統研究，”弗吉尼亞理工學院暨州立大學的機械工程師、研究合著者 Ling Li 說。他和他在多家機構的同事檢查了單個石鱉鱗片的化學成分、晶體結構和機械效能，然後放大研究了這些鱗片是如何協同工作的。他們研究的石鱉型別大約有一美分硬幣那麼長，其最大的鱗片只有幾毫米寬——因此研究人員依靠高解析度 X 射線來成像這些動物外殼的 3D 幾何形狀。
圖片來源：Brown Bird Design
他們發現這種盔甲的力量來自於其互鎖結構。每個鱗片都有一個菱形的基部，向上延伸到光滑的頂面，頂面彎曲以將板塊鉤住其相鄰的板塊。當外力推到一個鱗片上時，它會壓在相鄰的鱗片上，分散壓力以保護下面的生物體。該團隊與建築設計師合作，為人類 3D 列印了類似的鱗片盔甲——包括保護佩戴者免受碎玻璃傷害的護膝。
研究人員隨後可以對鱗片的行為進行物理測試，而不是依賴計算機模擬。“這種具有大量相互接觸、相互滑動的鱗片的系統——如果您嘗試使用傳統的計算機模型來捕捉它，那麼它會很快變成一場噩夢，”科羅拉多大學博爾德分校的機械工程師 Francois Barthelat 說，他沒有參與這項研究。他補充說，列印這些結構提供了一種有效的方式來展示所涉及的原理。
Li 的團隊測試了不同的鱗片配置，並研究了合成盔甲在壓力下的表現；他說它可以為運動員或從事野外工作的科學家提供保護。Barthelat 指出，它“似乎非常有效地結合了靈活性和防止撕裂傷的保護。”他建議這種盔甲可以覆蓋任何關節，包括手指，並且例如，可以幫助產業工人：“對這種型別的柔性保護有巨大的需求。”