生命科學

海洋盔甲

分析石鱉的外殼鱗片組成與結構,有助於研發可撓曲的防護裝備。

撰文/布希維克(Sophie Bushwick)
2020-05

生命科學

海洋盔甲

分析石鱉的外殼鱗片組成與結構,有助於研發可撓曲的防護裝備。

撰文/布希維克(Sophie Bushwick)
2020-05


從中世紀出現盔甲開始,防護裝備有非常悠久的歷史。然而要如何保護手肘和膝蓋這類關節,至今依然困擾著工程師,因為防護裝備的材料需要足夠強韌,才能保護身體不受到傷害,同時可撓性也要足夠,穿戴起來才能活動自如。現在,研究人員以一種不起眼的海洋動物為模仿對象,牠們的外殼結構在保護性和可撓性之間取得了巧妙的平衡。


海洋軟體動物石鱉(chiton)的某些物種身上包覆著一圈圈堅硬的組織,上面是層層疊疊的碳酸鈣鱗片;碳酸鈣是構成許多貝類外殼的堅硬化合物。科學家分析了這類「海洋盔甲」,想得知它如何在不犧牲防禦功能的情況下,兼顧這種物種移動的自由,然後再根據它的結構,以3D列印製造出防護裝備。這項研究發表於去年12月的《自然.通訊》(Nature Communications)。


論文共同作者、美國維吉尼亞州立理工學院暨州立大學的機械工程師李靈說:「從奈米到肉眼可見的尺度,我們對材料結構進行了系統性的研究。」他和數家機構合作檢視了個別石鱉鱗片的化學組成、晶體結構和力學性質,然後再擴大尺度,研究鱗片如何共同發揮作用。他們研究的石鱉物種,體長和一美分硬幣差不多,最大的鱗片只有幾公釐寬,所以研究人員必須使用高解析度X光造影技術來拍攝動物外層的3D幾何影像。


他們發現這種海洋盔甲的強度來自互鎖結構(interlocking structure)。每一片鱗片都有鑽石形的基底,而從基底往上延伸到平滑表面的弧度會鉤住旁邊的鱗片,形成鱗甲。當外力施加在某個鱗片上時,它便會推擠旁邊的鱗片來分散壓力,藉此保護底下的身體。研究團隊也與建築設計師合作,利用3D列印製造出具有類似功能且能讓人類使用的鱗狀盔甲,其中也包括能保護穿戴者不受碎玻璃刺傷的護膝。......