研究人員受墨魚啟發(fā)開發(fā)智能且堅(jiān)固的3D打印防彈衣

2024年2月16日，南極熊獲悉，圣地亞哥州立大學(xué)（SDSU）的研究人員從海洋生物的恢復(fù)力和預(yù)期中獲取靈感，正在試圖改變傳統(tǒng)防彈衣設(shè)計(jì)。這種新的方法整合了先進(jìn)的傳感技術(shù)，通過使用堅(jiān)固耐用的復(fù)合材料，開發(fā)出高度集成化的防護(hù)裝備。通過使用3D打印技術(shù)，這一目標(biāo)已成為可能。

△受墨魚啟發(fā)的復(fù)合材料

由機(jī)械工程學(xué)教授Yang Yang和Wenwu Xu領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)概述了他們的材料如何改進(jìn)體育、軍事、醫(yī)學(xué)和航空航天等行業(yè)中使用的過時(shí)身體防護(hù)裝備。

左起：圣地亞哥州立大學(xué)博士生Qingqing He、機(jī)械工程系助理教授Yang Yang和南加州大學(xué)研究生Yushun Zeng在實(shí)驗(yàn)室

以前，人們?cè)鴱暮Ｑ笊镏屑橙￠_發(fā)防護(hù)設(shè)備的靈感，而研究人員則特別關(guān)注墨魚（烏賊）的耐久性。墨魚以輕巧而又具有驚人的韌性而聞名，Yang教授和他的同事們?cè)噲D模仿墨魚的結(jié)構(gòu)組成。由于某些種類的墨魚能在海面下2000英尺的巨大壓力下茁壯成長，它們?cè)跉?nèi)進(jìn)化出了一種剛性但輕質(zhì)的微結(jié)構(gòu)，以幫助它們應(yīng)對(duì)這些極端條件。這種微結(jié)構(gòu)被稱為壁隔結(jié)構(gòu)，使得墨魚能夠有效地吸收和消耗散能量，從而輕松地適應(yīng)強(qiáng)烈的物理壓力環(huán)境。

圣地亞哥州立大學(xué)的研究人員認(rèn)識(shí)到了這種能力的潛力，并確定了其在減少?zèng)_擊力方面的重要應(yīng)用。為了模仿壁隔隔膜的結(jié)構(gòu)效率，Yang和他的團(tuán)隊(duì)培育了壓電羅謝爾鹽晶體，并將其與輕質(zhì)有機(jī)材料墨魚骨整合在一起。通過這種方法，他們開發(fā)出了一種新型復(fù)合材料，能夠顯著吸收沖擊力。

3D打印防護(hù)裝備的潛在應(yīng)用

這種先進(jìn)材料的應(yīng)用非常廣泛，涵蓋體育、國防、航空航天和醫(yī)療保健等行業(yè)。其中，復(fù)合材料的主要應(yīng)用之一是在頭盔領(lǐng)域。這種頭盔不僅能夠提供出色的沖擊保護(hù)，還具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，能夠在佩戴者出現(xiàn)任何非癥狀時(shí)向警報(bào)發(fā)出警告。在體育和建筑領(lǐng)域，這種頭盔的應(yīng)用將徹底改變安全標(biāo)準(zhǔn)。

另外，在醫(yī)療保健領(lǐng)域，定制的外骨骼（如護(hù)具和護(hù)膝）配備有傳感器，可用于同樣檢測(cè)跌倒并提供觸發(fā)的深度數(shù)據(jù)，從而提高了的安全水平。

3D打印組件的特性使得維護(hù)和修復(fù)變得更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，具有因此顯著的可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)。通過在局部修補(bǔ)復(fù)合材料補(bǔ)給，可以快速更換或修復(fù)3D打印人體盔甲的中斷部分，延長產(chǎn)品消耗并減少浪費(fèi)，與傳統(tǒng)材料通常被填埋形成對(duì)比。

在解釋這一工藝時(shí)，Yann補(bǔ)充道：“傳統(tǒng)陶瓷一旦破裂，就無法用這種方法修復(fù)，從而造成大量浪費(fèi)。而我們的方法則可以重復(fù)使用。制造過程消耗能量很少，從而使產(chǎn)品的整體價(jià)格更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠?！?br />
隨著楊Yang團(tuán)隊(duì)不斷改進(jìn)他們的防彈衣，與行業(yè)合作伙伴的合作也在進(jìn)行中。自開發(fā)出防彈衣以來，他們與NFL附屬的3D Systems合作，推進(jìn)如何改進(jìn)這種復(fù)合材料和裝甲并將其應(yīng)用到聯(lián)盟中的研究。