螳螂蝦 | SIMULIA擁護者 Pablo Zavattieri 教授解開自然界材料的秘密

士盟科技-部落格圖片

螳螂蝦,全名雀尾螳螂蝦,世界上最兇猛的蝦。外表顏色非常鮮豔,由紅、藍、綠等多種顏色構成。這種經過數百萬年進化而成的甲殼類動物,擁有兩隻類似錘子的大螫鉤(鰲棒),極具攻擊性,其鰲棒的水下攻擊速度可達每秒23米,釋放出的瞬間力道,大到能把自然界最堅硬的材料之一 蛤蜊殼,瞬間擊碎。

螳螂蝦的鰲棒又被稱為『趾棒』(在論文中被稱為dactyl club),是無機甲殼質構成的多層結構,外部是可以防沖擊的硬殼,讓螳螂蝦可以發起迅猛攻擊。當然在進行這麼迅猛的攻擊下,勢必也會給鰲棒本身產生巨大沖擊及壓力。為了應對不斷地衝撞,大自然的進化,賦予了這些鰲棒內部一個「布利根(bouligland)」形狀結構的材料,它給予螳螂蝦的鰲棒兼具硬度與消耗吸收能量的彈性。

研究人員發現,這些材料構造並非45度、90度整齊地一層層疊加在一起,而是每一層都會移動45度,層層扭曲,形成一種漩渦狀,跟DNA的螺旋結構非常相似。當鰲棒槌擊到蛤蜊或螃蟹的表面上時,其鰲棒結構中的任何裂縫都會以扭曲的方式傳播,從而將能量消散在整個材料中。因此鰲棒不會斷成兩半。

大自然數百萬年的演化,讓螳螂蝦擁有一對堅硬無比的鰲棒,這奇妙的結構,研究學者現今已經可以簡單的晶格和細菌浴來複製此「蝦狀結構」。美國空軍科研辦公室也投資這項研究,希望為開發下一代複合材料料提供新思路,包括航空航太及運動頭盔等領域所需的超硬材料等。

普渡大學土木工程研究所教授 巴勃羅·扎瓦蒂耶里(Pablo Zavattieri),一位SIMULIA的擁護者,對螳螂蝦的鰲棒的材料研究多年,他認為螳螂蝦的研究,為現代科技揭示了一種嶄新的材料結構,這是以一種不同的方式來堆疊不同層的單向纖維的複合材料。

Dr. Zavattieri教授指出,雖然現今複合材料行業已經知道如何製造層壓板(Laminate),而且也普遍應用於汽車、飛機、航空航天等結構。但他認為科技業應該效法螳螂蝦的鰲棒,用新的觀念,嘗試真正了解如何構建這些材料,試圖開創一個新複合材的設計,而不是只做專注於45 度、負 45 度、90 度和零度的複材疊層。雖然螺旋狀的複材疊層,在未來技術上還有很多需要克服之處,但如同Dr. Zavattieri所說:『我真的希望這研究能激勵許多其他從事工程和科學的人,因為大自然可以告訴我們很多事情...』

現代的科技,讓我們從大自然生物的特殊的構造中,學習研發出更優異工程材料的方法。