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师法自然 台科技部导入AI助攻仿生新材料

左起为科技部工程司副司长郭箐、成功大学工程科学系助理教授游济华、台湾大学应用力学所助理教授周佳靓、科技部工程司司长李志鹏、清华大学材料科学工程系教授陈柏宇、台湾大学土木工程系副教授张书玮合影。(科技部提供)
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【大纪元2021年03月24日讯】(大纪元记者袁世钢台湾台北报导)材料科学与工程发展迄今面临难以兼具轻量化、高强度与高韧性等许多瓶颈,如,而如何有效连接不同材料仍是困难的挑战。清华大学材料科学工程学系教授陈柏宇指出,师法自然可启发更轻、更强韧的仿生材料,但如何找出可行的最佳化结构设计,AI的角色就很关键。

陈柏宇获国际顶尖期刊《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,介绍美国加州大学尔湾分校与普渡大学团队对恶魔铁铠甲虫(Diabolical Ironclad Beetle)超耐压外壳所做的研究。陈柏宇表示,坚硬的外壳让它几乎没有天敌,踩不扁、捏不碎、大头针也无法刺穿、被汽车辗过还能存活,可承受其体重3.9万倍的压力。

恶魔铁铠甲虫被汽车辗过还能存活,仿昆虫外骨骼螺旋结构研究,可望助攻仿生新材料。(科技部提供)

恶魔铁铠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,而它的超抗压能力源自2种关键的结构设计。第一,具有功能梯度的侧向支撑,前段紧密契合可保护重要的内脏器官;而中段和后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。

其次,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,层与层间可形成微小裂缝,造成体积膨胀,使突起与凹槽扣锁得更紧密,大幅提升韧性与可靠度。陈柏宇说,这项发现有望解决不同材料的接合处因应力集中于较窄的颈部,造成脆性断裂而提早失效的问题,可应用于航太、机械工程、建筑等领域。

陈柏宇表示,有别于人造材料的性质常取决于材料选择,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”,能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增韧机制大幅提升功能性;不过,由于复杂的多阶层结构使仿生材料制程困难度极高,因此如何找出关键可行的最佳化结构设计,人工智慧扮演重要的角色。

以枫香果序为启发三维多孔。结构
以枫香果序为启发三维多孔。结构(科技部提供)

科技部表示,陈柏宇带领的跨领域研究团队也正在执行相关研究计划,包含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列印与功能验证等,有系统的研究多种兼具优异机械性质的生物材料,如由枫香果实启发,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等。◇

责任编辑:王愉悦

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