鱼鳍有强壮和灵活的双重能力。鱼的尾端可以自由变形,但在水中移动时会变硬。

如果采用鳍状结构,飞机的机翼能以类似的方式变形吗?

弗朗索瓦·巴特拉教授和他在科罗拉多大学博尔德分校的团队想要探索这个想法,并将鳍的坚固、灵活的特性融入到机器人和航空航天的设计中。根据首席研究员的说法,这意味着飞机可以以更大的流动性飞行。

“在某种程度上,飞机现在就是这样做的,当它们放下襟翼时,”巴特拉特说,他是保罗·m·雷迪机械工程系的教授最近的新闻稿但这是一种僵化的方式。相反,由变形材料制成的翅膀可以更彻底、更连续地改变形状,就像鸟类一样。”

通过研究和计算机模拟,Barthelat和他的团队专注于鳍的一个重要组成部分:被称为“射线”的突出刺。

鱼鳍中的每一条鱼鳍都是由硬材料的多个部分组成的,这些硬材料堆叠在柔软得多的胶原蛋白上。这样的分层设计使弹性和刚性特征达到完美平衡。

“如果你观察鱼鳍,你会发现它是由许多坚硬的‘鳐鱼’构成的,”巴特拉特说。“就像你的手指一样,每一条魟鱼都可以单独操作,但每个鳍上有20或30条魟鱼。”

研究小组了解到,每一条射线都有一个分层结构——根据加州大学博尔德分校教授的说法,有点像面包店克莱尔。

两层被称为半氮的坚硬矿化物质围绕着海绵状胶原蛋白的内层。然而,“éclair”是分段的。

“直到最近,这些部分的功能还不清楚,”Barthelat说。

这些线段,本质上,沿着光线形成了微小的铰链。对骨层的挤压或拉扯导致了高硬度。弯曲层使它们更柔顺,并允许它们变形。

工程师们使用3D打印机试图制造一种人造鳍。一些塑料部件内置铰链;有些则没有。该团队发现,分段设计提供了更好的刚度和变形能力的组合。

鱼鳍处于放松、顶部和弯曲、底部状态的光线的特写图像。(来源:弗朗索瓦·巴特拉特)

在简短的问答中金宝搏官网下面,Barthelat教授谈到了他设想的鳍状设计的一些可能性。

金宝搏官网:单个光线的有价值特征是什么?通过今天的制造方法,我们离生产真正的产品有多近?

弗朗索瓦•Barthelat教授:鳍是水下推进和机动的极佳工具。鳍的主要结构是“鳐鱼”,也就是使胶原蛋白薄膜变硬的长刺。这种射线的独特之处在于,它们足够灵活,可以变形成各种各样的形状,但又足够硬,可以推动水而不塌缩

我们最近发现,鱼鳍的细长骨骼中的分段铰链对于这种显著的特性组合至关重要。根据基础材料和特定工程应用,可使用3D打印、注塑、机加工等将此特殊功能复制到合成材料中。

自然光线的其他更为复杂的特性可能更难在合成类光线材料中实现,但我们对从何处开始有一些想法。

金宝搏官网:是否将20-30条人工射线纳入设计?

Barthelat教授当前位置是的,一种潜在的设计可能是复制整个鱼鳍的结构,用20-30条合成射线使较软的薄膜或薄板变硬。每条射线都可以被单独激活来改变形状,这样整个薄结构就可以“变形”成各种各样的3D形状和不同寻常的曲率。

金宝搏官网:哪些应用程序最能从此类设计和集成中获益?

Barthelat教授这种变形结构对于水面舰艇或潜艇的快速机动非常有吸引力。在航空航天领域,这种“生物灵感”材料可以用作飞机或无人机的机翼,这些机翼可以被设计成完全不同的形状,从而实现快速起飞、灵活机动和降落。我们也有想法使用单个射线状结构,可以改变曲率,作为机器人或变形显微外科工具的基础。

金宝搏官网计算机模拟向你展示的最有趣/令人惊讶的发现是什么?

Barthelat教授:我们经常使用计算机模拟,但只有当我们达到使用笔和纸建模和封闭形式解决方案所能捕捉的极限时。一个精确的、封闭形式的解,即使有近似和假设,也比超级计算机的大量数字数据更强大,更有启发性。也就是说,当我们试图模拟具有数千个自由度和非线性现象(如接触力学或屈曲)的系统时,我们使用数值建模。

对我们来说,最有趣的结果是当我们的工程模型与自然进化趋同时——也就是说,当我们的模型预测某一特定结构或机制最适合某一应用时,认识到自然界已经使用了同样的精确结构或相同的机制达数亿年之久。我们的工程模型、优化和自然进化然后收敛到同一个解决方案,这就是我们喜欢看到的!

技术人员摘要:是什么启发你开始研究鱼鳍?

Barthelat教授:在我们的研究小组中,我们不断探索工程材料的新设计概念,我们的许多灵感来自天然材料。事实上,我们已经在鱼类力学方面工作了很长一段时间,但重点是鱼鳞。鱼鳞是自然界最坚硬的材料之一,它们激发了新型柔性保护材料的灵感。这些年来,来自鱼类市场的大量鱼类标本通过了我们的实验室,通过操纵这些标本,我们对鱼类的其他结构越来越感兴趣,包括鳍。

金宝搏官网当前位置这项研究的下一步是什么?

Barthelat教授:我们目前正在开发以翅片为灵感的概念验证变形材料,我们打算将其应用到工程应用中。同时,在鳍的射线中还有更多的结构特征有待研究,每种结构特征都有可能激发工程变形材料的新设计。我们对单个射线中胶原纤维的复杂排列特别感兴趣。我们怀疑,在大变形时,与这些纤维相关的高度非线性效应会进一步改善机械性能。

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