研究人員開發(fā)了由軟體動(dòng)物激發(fā)靈感的3D打印裝甲
時(shí)間：2020-01-14 09:44 來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng) 作者：中國(guó)3D打印網(wǎng) 閱讀：次
中國(guó)3D打印網(wǎng)1月14日訊，弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)（VT）機(jī)械工程系副教授李玲（Ling Li）領(lǐng)導(dǎo)的研究開發(fā)了3D打印的柔性鱗片裝甲，其靈感來(lái)自于一群海洋軟體動(dòng)物石鱉類。這項(xiàng)研究刊登在《自然通訊》雜志上，旨在改善人造裝甲中使用的剛性結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)通常會(huì)損害靈活性和可操作性。因此，使用參數(shù)計(jì)算模型和多材料3D打印，可以創(chuàng)建靈活的，可縮放的陶瓷裝甲組件。
李教授解釋說(shuō)：“大多數(shù)軟體動(dòng)物都有一個(gè)單一的硬殼，例如鮑魚，或兩片保護(hù)殼的貝殼，例如蛤。但是石鱉類有八個(gè)礦化的板塊覆蓋身體并圍繞著它的底部，它有一個(gè)很小的魚鱗狀的腰帶，像魚鱗一樣組裝在一起，既提供了靈活性又提供了保護(hù)。”研究人員包括麻省理工學(xué)院，哈佛醫(yī)學(xué)院，加利福尼亞州立大學(xué)，馬克斯·普朗克膠體與界面研究所和懷斯研究所的成員。
3D打印的柔性裝甲受到碎玻璃上的石鱉類軟體動(dòng)物的啟發(fā)。圖片來(lái)自Virginia Tech。
3D打印“腰帶比例”裝甲
石鱉類物種具有數(shù)百個(gè)細(xì)小的礦化鱗片，排列在圍繞它們重疊的殼板的軟帶上。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，這確保了運(yùn)動(dòng)的靈活性和對(duì)其下層軟體的保護(hù)，并且是多功能裝甲設(shè)計(jì)的出色模型。此外，研究小組指出，在這項(xiàng)研究之前，尚未對(duì)石鱉類的腰圍鱗甲進(jìn)行深入研究。李教授說(shuō)：“我們以非常詳細(xì)的方式研究了這種腰圍鱗甲，我們量化了它的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，化學(xué)成分，納米機(jī)械性能和三維幾何形狀。我們研究了多個(gè)石鱉類物種之間尺度的幾何變化，并且還研究了尺度如何通過(guò)3D層析成像分析組裝在一起。”
結(jié)果，開發(fā)了復(fù)制單個(gè)比例尺幾何形狀的參數(shù)化3D建模方法。這用于在平面或彎曲的基板上組裝單個(gè)秤單元，然后可以進(jìn)行增材制造。在此之前，VT的科學(xué)家開發(fā)了一種3D打印壓電材料的方法，該材料將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電流。
石鱉類軟體動(dòng)物長(zhǎng)約1-2英寸，有一系列八個(gè)大板，并由較小，較靈活的鱗片圍成一圈。軟體動(dòng)物是3D打印盔甲背后的靈感。圖片來(lái)自Virginia Tech。
保護(hù)靈活性裝甲系統(tǒng)
3D打印裝甲的剛度來(lái)自標(biāo)尺的布置，而標(biāo)尺的布置已使用計(jì)算模型進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)。據(jù)說(shuō)這揭示了當(dāng)外部載荷達(dá)到臨界值時(shí)，比例尺裝甲如何互鎖和剛性。當(dāng)它與力接觸時(shí)，鱗甲彼此向內(nèi)會(huì)聚，形成一個(gè)堅(jiān)固的屏障。當(dāng)3D打印鱗甲未受力時(shí)，它們可以彼此移動(dòng)以根據(jù)形狀和位置提供不同數(shù)量的柔韌性。李教授補(bǔ)充說(shuō)：“借助這些具有受控樣品幾何形狀和尺寸的物理原型，該團(tuán)隊(duì)在受控的加載條件下對(duì)它們進(jìn)行了直接的機(jī)械測(cè)試。”經(jīng)過(guò)這些測(cè)試，研究人員得出結(jié)論，生物裝甲系統(tǒng)的雙重保護(hù)-柔韌性性能將適用于生產(chǎn)3D打印保護(hù)裝備，例如護(hù)膝。
李教授解釋說(shuō)：“大多數(shù)軟體動(dòng)物都有一個(gè)單一的硬殼，例如鮑魚，或兩片保護(hù)殼的貝殼，例如蛤。但是石鱉類有八個(gè)礦化的板塊覆蓋身體并圍繞著它的底部，它有一個(gè)很小的魚鱗狀的腰帶，像魚鱗一樣組裝在一起，既提供了靈活性又提供了保護(hù)。”研究人員包括麻省理工學(xué)院，哈佛醫(yī)學(xué)院，加利福尼亞州立大學(xué)，馬克斯·普朗克膠體與界面研究所和懷斯研究所的成員。
3D打印的柔性裝甲受到碎玻璃上的石鱉類軟體動(dòng)物的啟發(fā)。圖片來(lái)自Virginia Tech。
3D打印“腰帶比例”裝甲
石鱉類物種具有數(shù)百個(gè)細(xì)小的礦化鱗片，排列在圍繞它們重疊的殼板的軟帶上。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，這確保了運(yùn)動(dòng)的靈活性和對(duì)其下層軟體的保護(hù)，并且是多功能裝甲設(shè)計(jì)的出色模型。此外，研究小組指出，在這項(xiàng)研究之前，尚未對(duì)石鱉類的腰圍鱗甲進(jìn)行深入研究。李教授說(shuō)：“我們以非常詳細(xì)的方式研究了這種腰圍鱗甲，我們量化了它的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，化學(xué)成分，納米機(jī)械性能和三維幾何形狀。我們研究了多個(gè)石鱉類物種之間尺度的幾何變化，并且還研究了尺度如何通過(guò)3D層析成像分析組裝在一起。”
結(jié)果，開發(fā)了復(fù)制單個(gè)比例尺幾何形狀的參數(shù)化3D建模方法。這用于在平面或彎曲的基板上組裝單個(gè)秤單元，然后可以進(jìn)行增材制造。在此之前，VT的科學(xué)家開發(fā)了一種3D打印壓電材料的方法，該材料將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電流。
石鱉類軟體動(dòng)物長(zhǎng)約1-2英寸，有一系列八個(gè)大板，并由較小，較靈活的鱗片圍成一圈。軟體動(dòng)物是3D打印盔甲背后的靈感。圖片來(lái)自Virginia Tech。
保護(hù)靈活性裝甲系統(tǒng)
3D打印裝甲的剛度來(lái)自標(biāo)尺的布置，而標(biāo)尺的布置已使用計(jì)算模型進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)。據(jù)說(shuō)這揭示了當(dāng)外部載荷達(dá)到臨界值時(shí)，比例尺裝甲如何互鎖和剛性。當(dāng)它與力接觸時(shí)，鱗甲彼此向內(nèi)會(huì)聚，形成一個(gè)堅(jiān)固的屏障。當(dāng)3D打印鱗甲未受力時(shí)，它們可以彼此移動(dòng)以根據(jù)形狀和位置提供不同數(shù)量的柔韌性。李教授補(bǔ)充說(shuō)：“借助這些具有受控樣品幾何形狀和尺寸的物理原型，該團(tuán)隊(duì)在受控的加載條件下對(duì)它們進(jìn)行了直接的機(jī)械測(cè)試。”經(jīng)過(guò)這些測(cè)試，研究人員得出結(jié)論，生物裝甲系統(tǒng)的雙重保護(hù)-柔韌性性能將適用于生產(chǎn)3D打印保護(hù)裝備，例如護(hù)膝。
機(jī)械工程助理教授李玲（右）與博士生Ting Yang（左）和Dengfei（鄧志飛）為中心，手持3D打印裝甲。圖片來(lái)自Virginia Tech。
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