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材料工程师法自然 清大团队开发更轻、更强的仿生结构材料
 

【CTIMES/SmartAuto 編輯部 报导】   2021年03月24日 星期三

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国立清华大学陈柏宇教授获国际顶尖期刊《自然》(Nature)邀请,从材料科学工程的观点,撰写科普性的新知评论(News & Views)介绍美国加州大学尔湾分校与普渡大学团队对恶魔铁??甲虫超耐压外壳所做的研究。这些新知与陈教授致力的研究互相契合,师法自然,用以启发更轻更强更韧的仿生结构材料。

仿昆虫外骨骼螺旋结构
仿昆虫外骨骼螺旋结构

材料科学与工程发展迄今,面临许多瓶颈,例如难以兼具轻量化、高强度与高韧性,往往要在性质与材料之间取舍;而有效连接不同材料(如金属和高分子)仍是困难的挑战。这些问题或许可在一种常见於美国西岸乾旱地区的恶魔铁??甲虫(Diabolical Ironclad Beetle)身上找到解方。

这种其貌不扬的甲虫身怀绝技,坚硬的外壳让它几??没有天敌,能活7到8年,踩不扁、捏不碎、大头针无法刺穿、被汽车辗过还能存活,可承受3.9万倍其体重的压力。铁??甲虫的外壳其实不含铁或矿物质,和其他昆虫一样由几丁质和蛋白质所组成。其超抗压能力源自两种关键的结构设计。

.具功能梯度「刚柔并济」的侧向支撑

前段紧密契合可保护重要的内脏器官;而中段和後段在受压时可产生局部或大幅度的变形,有助钻进石缝躲藏或树皮间隙中觅食。

.拼图状的榫接结构

将翅鞘紧密相连,其层状的微结构受力时,层与层间形成微小裂缝,造成体积膨胀,使突起与凹槽扣锁得更紧密,可大幅提升韧性与可靠度。此发现可??解决不同材料的接合处因应力集中於较窄的颈部,造成脆性断裂而提早失效的问题,可应用於航太、机械工程、建筑等领域。

恶魔铁??甲虫只是自然界众多具优异性能的范例之一,陈教授曾研究贝壳、螃蟹壳、鹿角、羊角、巨嘴鸟喙、鸟羽、鲨鱼/食人鱼牙齿、鱼鳞、鳄鱼/????胄甲、眼镜蛇蛋壳、乌贼骨板等生物材料,发表於Science等期刊并着有仿生材料教科书。

陈教授表示,有别於人造材料之性质常取决於材料选择,生物材料最擅长的是结构设计,常用的策略则是「减法」和「乘法」,高效运用有限的材料达到轻量化并藉由不同尺度结构间的强化/增韧机制大幅提升性质与功能。然而,其复杂的多阶层结构使仿生材料的制程困难度提高,成本大幅增加,限制其发展应用。如何找出关键而可行的最隹化结构设计,跳脱「仿」生的框架,迈向生物「启发」的新思维,人工智慧扮演重要的角色。

目前陈柏宇教授与台湾大学土木系、应力所和成功大学工科系跨领域团队合作,执行科技部工程司智慧仿生材料与数位设计平台专案计画「利用仿生及材料基因数位技术平台设计并开发具优异机械性能之创新轻量化结构材料」,并担任总主持人,整合多阶层结构分析、机械性质量测、多尺度模拟、人工智慧、机器学习、3D列印与功能验证,有系统的研究多种兼具优异机械性质的生物材料,如由贝类珍珠层微观结构启发。

透过机器学习设计具高韧性的复合材料、由枫香果实启发,设计超轻量、高强度的孔洞材料、由甲虫外壳启发,开发耐冲击、高能量吸收的螺旋梯度结构、由蜻蜓翅膀启发,利用基因演算法生成轻、强、韧的二维材料等。

研究团队致力於建构生物材料结构与性质资料库并开发材料性质预测系统与材料设计平台,本研究之衍生技术「整合人工智慧与材料基因技术之仿生轻量化结构材料设计平台」荣获科技部「2019未来科技突破奖」,并获选为11个全球首创的亮点技术之一。

目前应用实例包括利用AI设计具仿生微结构的鞋中底,可针对回弹、支撑、缓冲等性质需求进行区域化/客制化设计并以3D列印一体成形,突破传统鞋中底难以兼顾不同功能需求的限制。

整合仿生结构设计、人工智慧与金属3D列印技术,开发可调控孔隙率、微结构与机械性质的新型轻量化医用合金,可应用於人工椎间盘、骨材等生医领域。此外,此技术可应用於自行车、汽车、航太、智慧机械等产业。

關鍵字: 仿生  科技部 
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