仿蝴蝶翅膀晶格結構：讓飛機更堅固，建筑更抗震

該材料在壓縮和沖擊測試中均優于傳統晶格結構。

研究人員從蝴蝶翅膀中汲取靈感，創造出一種兼具卓越強度、抗沖擊性和能量吸收能力的輕質晶格結構。

這種超輕材料模仿了鱗翅目昆蟲分散應力的方式，由日本仙臺東北大學的研究人員與中國湖北武漢理工大學的同事合作開發。在該項目中，研究團隊復現了昆蟲翅膀的翅脈幾何結構，構建了一種蝴蝶形體的體心立方晶格構型。這種結構不僅能最小化應力集中，還能提升對極端作用力的抵抗能力。

研究團隊希望，這種高回彈結構未來可集成于飛行器之中，并應用于抗震基礎設施，以全面提升安全性能。

科學家們解釋道："受蝴蝶翅膀均勻應力分布的啟發，我們提出了一種基于仿蝴蝶體心立方拓撲結構的新型各向異性晶格設計。"

仿生學的實踐應用

在此項研究中，團隊采取了獨特的思路。他們沒有選擇改變基體材料本身——這一過程往往資源消耗巨大——而是專注于通過結構拓撲設計來調控剛度、強度、變形行為以及抗失效能力。

在實驗室測試和有限元計算機模擬中，新型晶格顯著優于傳統設計。在準靜態壓縮和動態沖擊載荷作用下，它均展現出更高的彈性模量、增大的平臺應力以及更優越的能量吸收能力。

研究人員強調："我們采用實驗和數值模擬方法來研究晶格結構的靜態與動態力學行為，并使用數字圖像相關技術來分析晶格結構中的應力分布。"

簡而言之，該結構不僅能更有效地抵抗外力，還能調控力在內部的傳播路徑。研究團隊補充道："特別是，新設計的晶格在彈性模量、平臺應力和能量吸收性能方面均有顯著提升。"

此外，在受到沖擊時，該結構通過一種類似于蝴蝶展翅的X形變形路徑有效重新分布應力，從而抑制了局部坍塌并延遲了災難性破壞的發生。

專為抵抗沖擊而生

日本東北大學高級材料研究所副教授、博士程建峰認為該設計潛力巨大。他確信，這一性能可為諸多應用領域開辟道路。

程博士在一份新聞聲明中表示："這種結構機制尤為引人注目，因為大多數輕質晶格材料無法承受諸如局部屈曲或沖擊等作用力。相比之下，我們的設計展現出了對突加機械載荷更強的抵抗力。"

在航空航天領域，能夠吸收沖擊的輕質材料對于在不增加額外重量的前提下提升飛行器安全性至關重要。這類晶格有助于保護關鍵部件免受機械沖擊或墜撞損害。

同時，在日本等地震多發地區，建筑結構必須能夠快速吸收并耗散地震能量。這種仿生蝴蝶的設計有望催生出既能承受震動又能減少結構損壞的新型材料。

研究人員總結道："該設計在航空航天、汽車制造以及防護系統等對輕質抗沖擊材料有嚴苛要求的先進應用領域前景廣闊。"

此項研究已發表于《國際機械科學雜志》。

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