自中世纪盔甲时代以来，防护装备已经取得了长足的进步。但工程师们仍然难以保护肘部和膝盖等关节，这需要材料既要足够坚韧以防止受伤，又要足够灵活以允许运动。为此，研究人员正在模仿一种不起眼的海生动物，它的外壳在保护性和灵活性之间取得了显著的平衡。
某些种类的海洋软体动物，称为石鳖，被坚韧的组织带环绕，并覆盖着碳酸钙的重叠鳞片，碳酸钙是包裹许多贝类生物的坚硬化合物。科学家们分析了这种海洋盔甲，以了解它如何在不损害防御能力的情况下提供运动自由，然后根据其形状 3D 打印了防护装备。这项工作于去年 12 月发表在《自然通讯》上。
图片来源：出自 M. Connors 等人在《自然通讯》第 10 卷，第 5413 条，2019 年 12 月 10 日发表的“基于石鳖鳞片的仿生柔性盔甲设计”
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“我们对材料结构进行了从纳米到宏观尺度的系统研究，”弗吉尼亚理工学院暨州立大学的机械工程师、研究合著者 Ling Li 说。他和他在多家机构的同事检查了单个石鳖鳞片的化学成分、晶体结构和机械性能，然后放大研究了这些鳞片是如何协同工作的。他们研究的石鳖类型大约有一美分硬币那么长，其最大的鳞片只有几毫米宽——因此研究人员依靠高分辨率 X 射线来成像这些动物外壳的 3D 几何形状。
图片来源：Brown Bird Design
他们发现这种盔甲的力量来自于其互锁结构。每个鳞片都有一个菱形的基部，向上延伸到光滑的顶面，顶面弯曲以将板块钩住其相邻的板块。当外力推到一个鳞片上时，它会压在相邻的鳞片上，分散压力以保护下面的生物体。该团队与建筑设计师合作，为人类 3D 打印了类似的鳞片盔甲——包括保护佩戴者免受碎玻璃伤害的护膝。
研究人员随后可以对鳞片的行为进行物理测试，而不是依赖计算机模拟。“这种具有大量相互接触、相互滑动的鳞片的系统——如果您尝试使用传统的计算机模型来捕捉它，那么它会很快变成一场噩梦，”科罗拉多大学博尔德分校的机械工程师 Francois Barthelat 说，他没有参与这项研究。他补充说，打印这些结构提供了一种有效的方式来展示所涉及的原理。
Li 的团队测试了不同的鳞片配置，并研究了合成盔甲在压力下的表现；他说它可以为运动员或从事野外工作的科学家提供保护。Barthelat 指出，它“似乎非常有效地结合了灵活性和防止撕裂伤的保护。”他建议这种盔甲可以覆盖任何关节，包括手指，并且例如，可以帮助产业工人：“对这种类型的柔性保护有巨大的需求。”