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来自虾的灵感 研究人员开发超强3D打印结构

来源:e键打印   发布时间:2016-06-03 15:20:56   浏览次数:1249

来自虾的灵感 研究人员开发超强3D打印结构

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我们不会飞,于是我们模仿鸟,最终造出了飞机;我们模仿蝙蝠的超声波,最终造出了雷达;我们以前住的瓦房,瓦的摆放也是模仿了动物鳞甲。我们人类就是在不断模仿动物中进步的,这也是我们区别于其他动物最终进化到高级文明的重要原因之一。动物世界是丰富的,我们一直不断从中攫取着有用的讯息。


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日前,加州大学河滨分校和普渡大学的研究人员从皮皮虾身上获得灵感,开发出了一种超强的新型3D打印结构。研究人员模拟的是这种甲壳动物用来打击猎物的棒状附肢,该肢体由一种不同寻常的人字形结构组成。


虾蛄可以分为穿刺型(spearers)和粉碎型(smashers)两类,粉碎型虾蛄节肢末节的踝部却异常的扩大、坚硬,再加上长节含有强健的肌肉,这使得粉碎型虾蛄的攻击附肢非常具有破坏力,粉碎型虾蛄的攻击性附肢挥舞起来加速度可达10000G,这会对其猎物造成毁灭性打击。


当然,让粉碎型虾姑的棒状附肢威力如此巨大的原因,不仅仅在于其挥舞的速度,其坚硬的外壳也功不可没,虾蛄棒状附肢的外壳可以承受虾蛄多次强力击打猎物而完好无损。经研究发现,虾蛄的棒状附肢是由几个不同的区域组成的,每个区域都以一种不同的方式为其整体强度的提升做出贡献,其内部的“周期性”区域,包括一个有机面和磷酸三钙/钙碳酸盐面,能够吸收能量,过滤出剪切波。


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该项目得到了美国空军科研办公室下面的一项750万美元的多大学研究计划的资金支持。研究团队主要关注的是粉碎型虾蛄棒状附肢的一个与众不同的部分——“冲击区域(impact region)”,这个区域位于其附肢的外侧。


Kisailus称这一区域能够启发他们开发出超强的3D打印结构,该冲击区域由晶体磷酸钙围绕着壳质纤维组成,这些材料很紧凑地形成了一种不同寻常的人字形结构,这种整齐有序的结构既有助于尽量减少对其节肢的冲击力,又能够最大限度对打击目标造成伤害。


由于之前从来没有在自然界中发现过这种人字形结构,研究人员们为此感到非常兴奋。“我们从以前的研究中得知,虾蛄的冲击区域能够在将令人难以置信的动量转移给猎物时避免断裂,而令人兴奋的是,通过我们的研究发现其高度耐冲击的特性是由这种全新的人字形结构产生的。”Kisailus团队里的研究生Nicholas Yaraghi说。


为了确认这个人字形结构的假说,Kisailus团队还跟普渡大学的土木工程副教授Pablo Zavattieri带领的另一个研究团队进行了合作。两家团队共同进行了有限元分析,并在一台3D打印机上使用合成材料以更大的尺寸重建了该结构。


计算模型表明,人字形结构有助于应力在其棒状附肢上的均匀分布,并减少结构失效的可能性。随后,研究人员又对3D打印的模型进行了压缩测试,结果显示人字形结构,能有效地重新分配应力和偏转裂缝——与附肢内部周期性区域相比更是如此。Zavattieri团队的成员Nicolas Guarín-Zapata说:“尽管数值模拟计算结果已经令人信服地确认了应力在该结构中的重新分布,但是当我们对3D打印的样本进行测试的时候仍然感到惊喜。”


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研究人员们认为,他们的研究结果将对海洋生物学和先进制造业产生影响。Kisailus称可以复制这种特殊的人字形结构,以生成新型的高强度3D打印结构,以用于汽车和航空航天零部件,以及装甲等。


Kisailus说:“我们对这种小生物及其多层结构设计了解的越多,就越发意识到它可以帮助我们设计出更好的飞机、汽车、运动器材和盔甲。通过使用3D打印技术,我们实际上可以根据粉碎型虾蛄身上学到的体系结构,借助传统的工程材料制造出新型复合材料。”


灵感看似是一时的,但离不开科学家长期的研究积累,任何一项技术都是如此。当然不是说灵感不重要,在研究陷入困境的时候,某些灵感确实能够给研究带来突破。


本文部分内容来源于中关村在线

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