鱼鳍具有强大而灵活的双重能力。鱼的尾端自由,但随着它通过水而变硬。

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和他的团队在鳍的重要组成部分中归零:称为光线的突出刺。

鱼鳍中的每条鱼鳍都是由多段坚硬的材料组成,这些材料叠加在更柔软的胶原蛋白上。这样的分层导致了弹性和刚性特征的完美平衡。

“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。”

据这位加州大学博尔德分校的教授说,研究小组了解到,每条射线都有一个分层结构——有点像面包房éclair。

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。

工程师使用3D打印机尝试创建一种人造鳍。一些塑料部件有铰链内置;其他人没有。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。

鱼鳍顶端是放松状态,底部是弯曲状态,这是一条鳐鱼的特写图像。(来源:弗朗索瓦•Barthelat)

在一个简短的问答yabovip16.com下面,Barthelat教授谈到了他设想的鳍状设计的一些可能性。

yabovip16.com:每条射线有什么有价值的特征?用今天的制造方法,我们能生产出真正的东西吗?

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,鱼鳍上细长的骨头上的节段铰链对这种非凡的特性组合至关重要。根据基础材料和特定的工程应用,这种特性可以通过3D打印、注塑、加工等方式复制到合成材料中。

自然射线的其他更复杂的特征可能更难在合成射线类材料中实现,但我们对从哪里开始有一些想法。

yabovip16.com:这个想法是把20-30种人造射线结合到设计中去吗?

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。

yabovip16.com:什么应用程序将从这种类型的设计和集成中受益最大?

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。

yabovip16.com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。

最有趣的结果是当我们工程与自然进化模型收敛——也就是说,当我们的模型预测一个特定的结构或机制是最适合应用程序,并意识到已经使用相同的结构或性质相同的数亿年的机制。我们的工程模型、优化和自然进化然后收敛到相同的解决方案,这就是我们想看到的!

科技摘要:是什么启发你开始研究鱼鳍?

Barthelat教授:在我们的研究小组中,我们不断探索新的工程材料设计理念,我们的很多灵感来自于天然材料。我们实际上已经研究鱼类力学很长时间了,但重点是鱼鳞。鱼鳞是自然界中最坚硬的材料之一,它们激发了新的柔韧保护材料的灵感。在过去的几年里,我们的实验室里收集了大量来自鱼市的鱼类标本,通过对这些标本的操作,我们对鱼类的其他结构越来越感兴趣,包括鳍。

yabovip16.com这个研究的下一步是什么?

Barthelat教授我们目前正在开发概念验证的鳍启发变形材料,我们打算将其一路应用到工程应用。与此同时,在鳍的射线中还有更多的结构特征有待研究,每一个都有可能激发工程变形材料的新设计。我们对胶原纤维在单个射线中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提高机械性能。

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