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中山大學(xué)吳嘉寧課題組《Cell Rep. Phys. Sci.》：扇形管蟲的膜鞘是一種高效能量吸收器和穩(wěn)定器
2023-01-27  來源：高分子科技

  多層結(jié)構(gòu)通常具有高強(qiáng)度、高剛度和高能量吸收率的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛運(yùn)用于復(fù)合減震結(jié)構(gòu)等工程領(lǐng)域。然而，大多數(shù)具有高能量吸收率的多層結(jié)構(gòu)是用剛性材料制造的，這嚴(yán)重限制了它們?cè)诜墙Y(jié)構(gòu)化環(huán)境中的運(yùn)用。


  近期，中山大學(xué)吳嘉寧課題組與英國伯明翰大學(xué)合作揭示了一種存在于自然生物中的多層結(jié)構(gòu)軟材料制成的強(qiáng)大生物能量吸收器。該課題組通過對(duì)扇形管蟲生物應(yīng)激行為（圖1）的研究發(fā)現(xiàn)，扇形管蟲的軟管可承受巨大沖擊載荷并吸收動(dòng)能，使其成為在非結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景中運(yùn)用的吸能器的優(yōu)異設(shè)計(jì)藍(lán)本。課題組通過對(duì)軟管進(jìn)行SEM，EDS，AFM等材料測(cè)試（圖2）以及通過有限元對(duì)比仿真（圖3）得出了，軟管的結(jié)構(gòu)特征決定軟管能量吸收器的力學(xué)性能和吸能能力。 


圖1 扇形管蟲的生物應(yīng)激行為


圖2 軟管的材料測(cè)試


圖3 沖擊能量吸收效果及評(píng)估


  此外，課題組還通過對(duì)扇形管蟲的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，結(jié)合理論建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，闡明了基于軟材料的能量吸收器與剛性能量吸收器相比在穩(wěn)定輔助中優(yōu)勢(shì)（圖4）。這種綜合的機(jī)械特性可能為水下軟體機(jī)器人的柔性保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。 


圖4 構(gòu)成軟管穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的阻尼效應(yīng)


  相關(guān)工作以Membranous sheath of a fan worm functions as a high-performance energy absorber and stabilizer為題，發(fā)表于Cell旗下物質(zhì)科學(xué)期刊 Cell Reports Physical Science 上。中山大學(xué)本科生白嗣愉為論文第一作者，伯明翰大學(xué)Shi-Yang Tang教授和中山大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院吳嘉寧副教授為共同通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101253

  下載：Membranous sheath of a fan worm functions as a high-performance energy absorber and stabilizer

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