Chiton Mollusk灵感的创新新规模装甲设计

3D印刷的柔性盔甲。

利用生物学的动机作为工程的灵感，基于该项目，但对于工程学院机械工程助理教授的凌丽，在窒息软体动物中看到的灵活性和保护组合是必要的所有动机。

“我们开发的系统基于具有独特的生物盔甲系统的窒息，”李说。“大多数软体动物具有单个刚性壳，例如鲍鱼或两个壳，例如蛤蜊。但窒息有八个矿化板，覆盖着生物的顶部，并在其基地周围它具有像鱼鳞一样组装的非常小的鳞片，这提供了灵活性和保护。“

Chiton Mollusk长约1至2英寸长，具有一系列八个大板，并被束带较小，更柔韧的鳞片振荡。软体动物是3D印刷盔甲后面的灵感。

李的工作，今天（2019年12月10日）在“自然通信”期刊上，是与各机构的研究人员合作的结果，包括马萨诸塞州理工学院，哈佛大学医学院的Dana-Farber癌症研究所，加州州立大学，富勒顿，Max Planck胶体和界面，德国和哈佛大学的Wyssssssssiapience Insternitute研究所。

由于窒息的腰带秤的机械设计之前没有深入研究，研究人员必须在使用该信息作为工程研究的生物启发之前与软体动物开始的基本材料和机械分析。

“我们以非常详细的方式研究了这种生物材料。我们量化了其内部微观结构，化学成分，纳米机械性能和三维几何形状。我们研究了多种凝胶物种的鳞片的几何变化，我们还研究了尺度如何通过3D断层扫描分析组装在一起，“李说。

3d在残破的玻璃的印刷的柔性装甲。

然后，团队开发了参数化3D建模方法，以模仿inpidual尺度的几何形状。它们在平坦或弯曲的基板上组装了近距离的单元，其中尺寸的尺寸，方向和几何形状也可以改变，并使用3D打印来制造生物启发尺度铠装模型。

“我们直接用3D多材料印刷制作了Chiton Scale-Inspired Quots组装，这由柔性基板顶部的非常刚性的秤组成，”Li解释说。通过这些受控标本几何形状和尺寸的物理原型，该团队在受控的负载条件下对其进行直接的机械测试。这允许研究人员了解生物铠装系统的双重保护灵活性落后的机制。

尺度铠装的方式的方式是，当与力接触时，秤彼此向内收敛以形成固体屏障。当不在强行时，它们可以彼此“移动”，以提供不同的灵活性，取决于它们的形状和放置。

凌丽机械工程助理教授，右，戴阳，左和卓帝邓，中心的博士生。

“力量来自尺度是如何组织的，从他们的几何中，”李说。“Reza的[Mirzaeifar，机械工程助理教授]团队通过使用计算建模来进一步揭示在外部负荷达到临界值时，尺度装甲如何变得互锁和刚性的令人惊叹的工作。”

地点特定装甲的设计考虑了所用尺度的大小。较小的鳞片，例如Chiton的腰带周围的鳞片，对于需要最大柔韧性的地区更有用，而较大的尺度用于需要更多保护的区域。“与Reza一起使用，我们的下一步是扩展空间，以便我们为不同的身体位置设计定制装甲。例如，胸部的灵活性与保护需要与肘部或膝关节不同，因此我们需要在规模几何形状，大小，方向等方面相应地设计规模组件。

当李是马萨诸塞术学院的研究生研究助理时，正在与国防部融资的工作开始。由于他于2017年到达弗吉尼亚理工大学以来，这项工作继续被赞助，作为他启动资金的一部分。

“我们始于一个非常纯粹的动机 - 寻找多功能生物材料，”李说。“我们希望集成灵活性和保护，并与合成系统实现很难实现。我们将继续研究，以探索超出原始生物模型系统的设计空间，并在不同的负载条件下进行测试。“

李承认这一过程已经多年了，很长，但工作在如何从一开始就像进行基本生物资料研究的两步过程一样，这项工作是独一无二的。

“对这个主题的熟悉程度对装甲的设计和建模非常有用，”李说。“我认为这种类型的生物启发盔甲将代表目前可用的重大改善。”

参考：“基于Chiton Scales的柔性装甲的Bioinspired设计”由Matthew Connors，Ting Yang，Ahmed Hosny，Zhifei Deng，Fatemeh Yazdandoost，Hajar Massaadi，Douglas Eernisse，Reza Mirzaeifar，Mason N. Dean，James C. Weaver，Christine Ortiz和Ling Christine Ortiz和Ling李，2019年12月10日，自然传播.DOI：
10.1038 / S41467-019-13215-0