仿蝴蝶翅膀晶格結(jié)構(gòu)：讓飛機(jī)更堅(jiān)固，建筑更抗震

該材料在壓縮和沖擊測(cè)試中均優(yōu)于傳統(tǒng)晶格結(jié)構(gòu)。

研究人員從蝴蝶翅膀中汲取靈感，創(chuàng)造出一種兼具卓越強(qiáng)度、抗沖擊性和能量吸收能力的輕質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)。

這種超輕材料模仿了鱗翅目昆蟲(chóng)分散應(yīng)力的方式，由日本仙臺(tái)東北大學(xué)的研究人員與中國(guó)湖北武漢理工大學(xué)的同事合作開(kāi)發(fā)。在該項(xiàng)目中，研究團(tuán)隊(duì)復(fù)現(xiàn)了昆蟲(chóng)翅膀的翅脈幾何結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一種蝴蝶形體的體心立方晶格構(gòu)型。這種結(jié)構(gòu)不僅能最小化應(yīng)力集中，還能提升對(duì)極端作用力的抵抗能力。

研究團(tuán)隊(duì)希望，這種高回彈結(jié)構(gòu)未來(lái)可集成于飛行器之中，并應(yīng)用于抗震基礎(chǔ)設(shè)施，以全面提升安全性能。

科學(xué)家們解釋道："受蝴蝶翅膀均勻應(yīng)力分布的啟發(fā)，我們提出了一種基于仿蝴蝶體心立方拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新型各向異性晶格設(shè)計(jì)。"

仿生學(xué)的實(shí)踐應(yīng)用

在此項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)采取了獨(dú)特的思路。他們沒(méi)有選擇改變基體材料本身——這一過(guò)程往往資源消耗巨大——而是專注于通過(guò)結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)來(lái)調(diào)控剛度、強(qiáng)度、變形行為以及抗失效能力。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和有限元計(jì)算機(jī)模擬中，新型晶格顯著優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下，它均展現(xiàn)出更高的彈性模量、增大的平臺(tái)應(yīng)力以及更優(yōu)越的能量吸收能力。

研究人員強(qiáng)調(diào)："我們采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法來(lái)研究晶格結(jié)構(gòu)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，并使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)來(lái)分析晶格結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布。"

簡(jiǎn)而言之，該結(jié)構(gòu)不僅能更有效地抵抗外力，還能調(diào)控力在內(nèi)部的傳播路徑。研究團(tuán)隊(duì)補(bǔ)充道："特別是，新設(shè)計(jì)的晶格在彈性模量、平臺(tái)應(yīng)力和能量吸收性能方面均有顯著提升。"

此外，在受到?jīng)_擊時(shí)，該結(jié)構(gòu)通過(guò)一種類似于蝴蝶展翅的X形變形路徑有效重新分布應(yīng)力，從而抑制了局部坍塌并延遲了災(zāi)難性破壞的發(fā)生。

專為抵抗沖擊而生

日本東北大學(xué)高級(jí)材料研究所副教授、博士程建峰認(rèn)為該設(shè)計(jì)潛力巨大。他確信，這一性能可為諸多應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)辟道路。

程博士在一份新聞聲明中表示："這種結(jié)構(gòu)機(jī)制尤為引人注目，因?yàn)榇蠖鄶?shù)輕質(zhì)晶格材料無(wú)法承受諸如局部屈曲或沖擊等作用力。相比之下，我們的設(shè)計(jì)展現(xiàn)出了對(duì)突加機(jī)械載荷更強(qiáng)的抵抗力。"

在航空航天領(lǐng)域，能夠吸收沖擊的輕質(zhì)材料對(duì)于在不增加額外重量的前提下提升飛行器安全性至關(guān)重要。這類晶格有助于保護(hù)關(guān)鍵部件免受機(jī)械沖擊或墜撞損害。

同時(shí)，在日本等地震多發(fā)地區(qū)，建筑結(jié)構(gòu)必須能夠快速吸收并耗散地震能量。這種仿生蝴蝶的設(shè)計(jì)有望催生出既能承受震動(dòng)又能減少結(jié)構(gòu)損壞的新型材料。

研究人員總結(jié)道："該設(shè)計(jì)在航空航天、汽車制造以及防護(hù)系統(tǒng)等對(duì)輕質(zhì)抗沖擊材料有嚴(yán)苛要求的先進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊。"

此項(xiàng)研究已發(fā)表于《國(guó)際機(jī)械科學(xué)雜志》。

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