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科学研究：模仿石鳖的仿生护具
千百年来，人类在护具领域已经取得了长足的进步。但工程师发现，要很好地保护肘部和膝盖等关节部位，还是有一定的难度。因为这要同时保障材料的坚固性和柔韧性，也就是说，需要在防止损伤的同时保障灵活度。为此，研究人员正在模仿一种不起眼的海洋动物，它的外壳极好地在保护性和灵活度之间取得了平衡。
许多甲壳类动物的硬壳都是由碳酸钙组成的。一些被称为石鳖（chitons）的海洋软体动物不仅具有碳酸钙硬壳，外壳四周还被一圈坚硬的组织所包围。科学家分析了这种海洋生物的保护外壳，研究了它是如何在不影响防御性能的前提下自由移动的。随后，科学家根据其形状，通过3D打印制作了类似的护具。相关研究发表在《自然·通讯》杂志上。
李凌（Ling Li）是弗吉尼亚理工学院的机械工程师，也是这项研究的共同作者，他所在的团队对材料结构展开了系统的研究，一路从纳米尺度延伸到宏观尺度。这些科学家共同研究了石鳖鳞片的化学成分、晶体结构和机械性能。随后，他们又回到更大的尺度，研究鳞片之间是如何相互作用的。要知道，石鳖只有一个硬币那么长，最大的鳞片也不过几毫米宽，研究人员必须依靠高分辨率的X射线仪，才能获得动物外壳的三维结构。
研究人员发现，保护外壳的强度是通过内扣结构实现的。每个鳞片都有一个菱形底座（base），延伸至光滑顶面，弯曲后将矿化的鳞片（plate）与相邻鳞片钩连起来。当外力作用于其中某个鳞片时，它也会挤压周边的鳞片，从而分散压力保护鳞片下方的有机体。研究团队与结构设计师合作，用3D打印设备制作了可供人类使用的柔性护具，其中的护膝就可以保护佩戴者免受碎玻璃的划伤。
通过打印好的成品，研究人员还可以进一步测试这些鳞片的物理性能，而不仅仅是依靠计算机模拟。弗朗索瓦·巴尔特拉（Francois Barthelat，并未参与这项研究）是科罗拉多大学博尔德分校的机械工程师，他表示：“这个系统中有很多鳞片都是相互接触、同向移动的，如果你试图用传统的计算机模型来捕捉这个过程，很快就会变成一场噩梦。”他还补充说，把这些结构打印出来，或许可以更有效地展示和研究其中所涉及的原理。
李凌团队测试了不同鳞片的结构，同时还研究了合成护具在压力下的表现。他认为，这种设备可以为运动员或者从事野外工作的科学家提供保护。巴尔特拉表示：“看起来，它可以在保证灵活性的前提下非常有效地防止割伤。”
撰文：索菲·布什维克（Sophie Bushwick）
翻译：林清
文章来源：环球科学
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