自然启发设计仿生缓冲材料，多元应用

大家好！今天来了解一篇仿生缓冲材料——《Bioinspired Structural Composite Flexible Material with High Cushion Performance》发表于《Advanced Science》。冲击是生活中常见的现象，它给生命和设备带来诸多危害，因此高效缓冲材料的研发备受关注。传统缓冲材料存在诸多不足，而自然界中一些生物结构却具有优异的能量吸收能力，如墨鱼骨、蜘蛛网和柚子皮等。本研究受此启发，提出一种集成仿生策略，开发出一种具有高缓冲性能的仿生结构复合柔性材料，其在力学性能和缓冲性能方面表现卓越。

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一、研究背景与目标

（一）冲击问题与缓冲材料需求

冲击在生活中无处不在，常常导致生命和设备遭受损失。因此，开发高效的缓冲材料来抵御冲击一直是研究的热点。许多现有的缓冲材料利用非弹性机制来耗散冲击能量，但这些材料往往存在一些问题，例如部分材料以牺牲自身结构为代价，无法重复使用，或者存在易燃、吸能能力有限等不足。

（二）自然界的启发

自然界中一些生物结构具有出色的能量吸收能力，如墨鱼骨的S形结构、蜘蛛网以及柚子皮等。这些结构为开发新型高性能缓冲材料提供了灵感。本研究旨在基于这些自然结构，开发一种具有高缓冲性能的仿生结构复合柔性材料。  

二、材料设计与制备

（一）仿生结构的选择与融合

1、生物原型结构分析

墨鱼骨具有弯曲的S形结构，这种结构被发现具有高效的能量吸收特性。

蜘蛛网通常具有多边形结构，本研究考虑正六边形的蜘蛛网结构，并且根据之前研究，其具有良好的能量耗散能力，能在空气中耗散高达70%的动态冲击能量。

柚子皮通过扫描电子显微镜（SEM）观察到具有多孔结构，该结构能够在冲击时耗散能量，有效保护果实。  

2、集成仿生设计

将上述三种结构进行集成设计。首先设计出模仿六边形结构且具有S形边缘的蜘蛛网（S-蜘蛛网），其形状基于墨鱼骨的S形结构。然后在S-蜘蛛网的空隙中填充模仿柚子皮多孔结构的软聚氨酯（PU）泡沫，最终形成集成仿生材料。

（二）材料的制备过程

1、S-蜘蛛网的制备

选用硬度为16A的硅胶，通过铸造工艺在3D打印的具有S形边缘的聚乳酸（PLA）模具中制备S-蜘蛛网。具体过程为：将硅胶的A、B组分按1:1体积比混合并搅拌均匀，放入真空泵中消泡3分钟后倒入模具，在室温下放置4小时固化后脱模，得到S-蜘蛛网结构。  

2、PU泡沫的制备与填充

PU泡沫由A、B组分按5:2的体积比混合，充分混合后倒入S-蜘蛛网的网腔中，30分钟后完全固化，完成集成仿生材料（S-蜘蛛网-泡沫）的制备。

三、材料性能测试与分析

（一）力学性能测试

1、压缩测试

使用万能试验机（WDW-2000）对九种集成结构复合材料、凝胶（Gel）和PU泡沫进行压缩测试。所有材料在压缩载荷下都呈现出显著的非线性机械行为。

根据对PU泡沫、硅胶和凝胶的超弹性数学模型拟合结果，PU泡沫采用Yeoh超弹性参数，凝胶和硅胶分别采用Ogden-3超弹性参数进行有限元模拟（Abaqus软件），模拟结果与测试结果相符。  

当网腔内无填充时，具有S-边缘模仿墨鱼骨的蜘蛛网结构材料（S-蜘蛛网）比对比结构更硬，这是由于S形边缘结构使其难以发生屈曲变形，从而在相同压缩应变下吸收更多能量，具有更好的缓冲性能。

当网腔填充凝胶时，S-蜘蛛网-凝胶是最硬的结构，即相同变形下需要最大的力，因此相比其他结构具有最佳的能量吸收能力，有限元模拟结果表明S-蜘蛛网结构对其能量吸收性能贡献最大，应力主要集中在其横截面上。

当网腔填充PU泡沫时，S-蜘蛛网-泡沫的刚度仍大于PU泡沫，这表明S-蜘蛛网结构与PU泡沫的耦合使其具有优异的能量吸收特性，应力在S-蜘蛛网-泡沫的横截面上均匀分布。  

2、动态力学性能测试

使用TAElectroforce-3100测量材料的储能模量、损耗模量和损耗因子（Tanδ）。储能模量反映材料的弹性，损耗模量反映材料的粘性，损耗因子反映材料的粘弹性。

当网腔内填充相同时，具有S-蜘蛛网结构的材料具有更大的储能和损耗模量。例如，未填充的S-蜘蛛网与未填充的对比结构相比，储能模量大6.4倍，损耗模量大6.2倍；S-蜘蛛网-凝胶与凝胶相比，储能模量高2.32倍，损耗模量高1.15倍；S-蜘蛛网-泡沫与PU泡沫相比，储能模量是其6.2倍，损耗模量是其5.3倍。

（二）缓冲性能测试

1、落锤试验

使用落锤试验台对材料进行缓冲性能测试，试验台配备2.5kg锤子、10000N压力传感器以及NI数据采集卡（采集频率20kHz）和NIDAQExpress软件来记录冲击force-time数据（图6a）。

在两种不同冲击速度（0.93m/s和2m/s）下进行测试。结果表明，在相同的网结构和不同的网腔填充情况下，填充PU泡沫的材料具有最小的峰值冲击力，这说明模仿柚子皮结构的PU泡沫可以提高材料的缓冲性能。  

当网腔填充相同时，具有S-蜘蛛网结构的材料具有最小的峰值冲击力，无论填充的是凝胶、PU泡沫还是无填充。当PU泡沫和S-蜘蛛网集成形成S-蜘蛛网-泡沫时，它具有最低的峰值冲击力，表明S-蜘蛛网-泡沫集成仿生材料具有最佳的缓冲性能。

以未填充的对比结构为参考计算其他结构仿生材料的缓冲效率，S-蜘蛛网-泡沫在两种不同冲击速度下具有最高的缓冲效率，在冲击速度为0.93m/s时为78%，在2m/s时为82%。将S-蜘蛛网-泡沫与其他六种缓冲材料进行对比，在两种冲击速度下，S-蜘蛛网-泡沫集成仿生材料的峰值冲击力最小，相比硅胶泡沫可降低3.5倍。

2、理论分析

从理论上分析缓冲性能，在落锤过程中忽略能量损失时，重力势能转化为动能，当锤子接触材料时，假设动能全部被材料吸收。

通过静态压缩测试，将九种生物启发的结构复合材料、凝胶和PU泡沫的11条曲线积分，使每条曲线与横坐标围成的面积等于冲击能量（例如在冲击速度为0.93m/s时，冲击能量为1065N・mm）。结果表明，在相同能量吸收和网腔填充情况下，S-蜘蛛网结构材料承受的载荷最低，这是因为其在压缩加载时难以发生弯曲变形；  

对于相同网结构不同填充，填充PU泡沫的材料载荷最小，这表明模仿柚子皮的多孔泡沫结构可以提高材料的缓冲性能。当PU泡沫与S-蜘蛛网结构集成形成S-蜘蛛网-泡沫时，可获得最小的峰值冲击力量，说明S-蜘蛛网结构和多孔泡沫耦合在冲击或压缩载荷下能共同实现良好的能量吸收。  

四、材料应用展示

（一）鞋垫应用

将集成仿生材料嵌入拖鞋脚跟进行步行测试，测试对象体重为75kg。结果表明，穿着仿生鞋垫时冲击力最小，相比赤脚和穿传统鞋垫在正常步行速度下能更好地减少对脚跟的冲击。在步行过程中，脚跟是首先接触地面的生物组织，跑步时脚跟承受的峰值载荷可达体重的2-3倍，因此该材料在鞋垫应用方面具有潜在价值。

（二）产品保护应用  

通过鸡蛋掉落测试评估材料对易碎产品的保护性能。搭建鸡蛋掉落试验台，当鸡蛋落在S-蜘蛛网-泡沫材料上时未损坏，而落在硅胶泡沫上则破裂，这表明该集成仿生材料在保护易碎产品方面非常有效。

五、研究结论与展望

（一）研究结论

本研究提出一种集成仿生策略，成功开发出一种具有高效缓冲性能的仿生结构复合柔性材料（S-蜘蛛网-泡沫）。该材料集成了墨鱼骨的S形结构、蜘蛛网结构和柚子皮的多孔结构，通过多种测试验证了其具有非常高效的缓冲性能。

在相同冲击速度下，与六种具有良好缓冲性能的材料（硅胶泡沫、PU泡沫、凝胶、硅胶（0A）、EPDM泡沫、EPE泡沫）相比，S-蜘蛛网-泡沫集成仿生材料具有最小的峰值冲击力，即最佳的缓冲性能，并且能将峰值冲击力降低3.5倍。

（二）应用前景

该材料在电子设备保护、包装运输、运动鞋鞋垫以及工业设备保护等领域具有广泛的应用前景，为高性能缓冲材料的设计和制备提供了新的思路和方法。

六、一起来做做题吧  

参考文献：

Zhuang Z, et al. Bioinspired Structural Composite Flexible Material with High Cushion Performance. Adv Sci (Weinh). 2024 Feb;11(5):e2304947.