仿生螳螂蝦(二):新型耐撞纖維強化複合材料

 
2017/08/22 歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
新型耐撞纖維強化複合材料仿生雀尾螳螂蝦掠螯的棒狀指節(繪製者:黃正文)。 雀尾螳螂蝦(Odontodactylus scyllarus)的掠螯耐撞抗裂(圖片來源:歐陽盛芝)。
  • 新型耐撞纖維強化複合材料仿生雀尾螳螂蝦掠螯的棒狀指節(繪製者:黃正文)。
  • 雀尾螳螂蝦(Odontodactylus scyllarus)的掠螯耐撞抗裂(圖片來源:歐陽盛芝)。
 

普渡大學(Purdue University)扎瓦蒂尼(Pablo D. Zavattieri)教授與哥倫比亞麥德林EAFIT大學(Universidad EAFIT)、加州大學河濱分校(University of California, Riverside)合組跨校研究團隊,研究雀尾螳螂蝦(Odontodactylus scyllarus)掠螯的棒狀指節結構,已研發出耐撞纖維強化複合材料,具有質輕、高強度、韌性、抗撞擊性等優點,可進一步開發防衝耐撞的防護裝備和器械,尤其是可能遭遇特殊溫度和壓力環境的太空船外殼和框架零件、各類運動保護裝備如足球頭盔、軍事防禦配備如防彈衣、鎧甲、裝甲車殼等,或變更材質和比例成為其他材料,運用於工業陶瓷等產業領域。相關研究成果於2015年9月發表在《生物材料學報》(Acta Biomaterialia)期刊。

 

雀尾螳螂蝦又名蟬形齒指蝦蛄、紋華青龍蝦、孔雀螳螂蝦,體長約10-17公分,體色以綠色為主,多彩鮮艷,主要分布於包括臺灣的印度-西太平洋熱帶海域,是軟甲綱(Malacostraca)口足目(Stomatopoda)齒指蝦蛄科(Odontodactylidae)的粉碎型蝦蛄。常主動巡游獵食,當準備出擊時,會利用彈簧系統將棒狀指節和前節緊靠成相鄰顎足5倍厚的大頭棒,彈出時可增大衝擊力,攻擊時用超過子彈的速度伸展一對掠螯,以擴大如拳的棒狀指節踝部重擊獵物的防禦武器或保護硬殼,攻擊力量可高達1,500牛頓(N,使質量1公斤物體加速度達1m/s2時所需的力),加上形成的空穴效應再度衝撞獵物能造成雙重傷害,接著會先檢視獵物損傷狀況、以決定停止或再次出擊。牠們雖能有效破壞獵物,但本身得具耐撞抗裂特性,才能經得起數以千計的重複捶擊。

 

研究團隊採用斷層掃瞄,發現其外骨骼的電子密度以棒狀指節最高,具有極強的抗撞擊能力,經奈米級剖析,橫切面可分成撞擊區、週期區、和條紋區三個區域,硬度、韌度、和結構方向都不同。最外層的撞擊區含有結晶化、礦化、和增加硬度的羥磷灰石(hydroxyapatite,又稱為氫氧基磷灰石),下襯一層殼聚醣(Chitosan,脫乙醯幾丁質),可分散撞擊力並防止裂痕擴散;週期區是呈螺旋狀堆疊的幾丁質礦化纖維層,間隙填充碳酸鈣和磷酸鈣,每層平行的幾丁質纖維圓棒逐層從下方水平旋轉一個角度,形成類似軟墊、可吸收極高衝擊能量的類夾板結構,作用如同減震器,因為所含成分經週期性排列組合成近似聲子晶體(由兩種或兩種以上振動材料組成、會影響聲波的週期性結構)微結構,當剪切波通過時可產生能隙(半導體或絕緣體的電子能量差距,會影響其導電性)並過濾分散,產生優良的減震耐撞效果,由於是可過濾剪切波的類夾板螺旋結構,在獵食的重複高速衝擊下能避免損傷;條紋區位於側面,成分是沒有結晶化的羥磷灰石,因此硬度較低,可引導分散撞擊力量。此外,雀尾螳螂蝦的棒狀指節若在不斷強烈衝擊下產生小規模裂縫,也能透過週期區的螺旋結構將能量偏轉耗盡能量,防止裂縫擴大以維持完整,並藉著生長發育定期更新外骨骼,獲得更大更新的掠螯。

 

研究團隊模仿棒狀指節結構的聲子晶體,藉由控制微結構和幾何形狀,模製和操控波的介質,優化耐衝擊能力,開發出仿生的碳纖維環氧樹脂(carbon fiber-epoxy)複合材料板,由碳纖維環氧樹脂圓棒組成類夾板分層結構,具彈性模量和密度等機械性能的週期性,能過濾剪切波,具優異的減震功效。他們以環氧樹脂(epoxy)作為填充物,將具單向增強的碳纖維環氧樹脂預浸材料(carbon fiber epoxy prepreg)低溫真空固化,製造五組長、寬為3.5x1.8公分的複合材料板,具層取向不同排列的48層預浸材料層試樣,並用相同成分製成的另外兩種複合材料進行比較測試。第一款是單向結構,各纖維層均朝0度方向平行堆疊;第二款是擬等向性結構,依據商用飛機材料標準各層旋轉45度,第一層0度、第二層-45度、第三層45度、第四層90度等類似螺旋交替堆疊層;第三款是仿生螺旋結構,分別製作各層逐層旋轉7.8度、16.3度、和25.7度三種樣品。

 

衝擊測試係將固定重量垂直掉落在供試樣品表面,產生100焦耳(J,施加1牛頓作用力經1公尺距離所需的能量,使人喪失戰鬥力的彈頭動能為78.5焦耳)能量,然後使用超音波掃描,測量其外部損傷、凹痕深度、和內部損傷等,以評估撞擊時螺旋結構的抗衝擊性和能量吸收,並確定衝擊後的殘餘強度。結果第一款各層纖維斷裂並完全損壞,第二款產生從第一層穿透到底層的明顯纖維損傷,第三款都顯示僅一些纖維分裂磨損,並未被完全穿透,且凹陷較第二款減少20-50%,損傷呈橫向而非垂直擴散;壓縮樣品至斷裂的測試結果也顯示第三款在衝擊後的殘餘強度較第二款增加約15-20%,中和大的旋轉角度於衝擊後較少凹陷、具更大殘餘強度。研究團隊未來將就可能衝擊的頻譜,確定各纖維層的最佳旋轉角度、間距、層數、和厚度,以及不同複合材料組合和比例等變因優化設計。

 

(以上新聞編譯自2015年9月1日發行之Acta Biomaterialia期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
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  • 來源:Guarín-Zapata, N., J. Gomez, N. Yaraghi, D. Kisailus, and P. D. Zavattieri. 2015. Shear wave filtering in naturally-occurring Bouligand structures. Acta Biomaterialia, 23: 11–20.
     
  • 延伸閱讀:
     
    • Grunenfelder, L. K., N. Suksangpanya, C. Salinas, G. Milliron, N. Yaraghi , S. Herrera, K. Evans-Lutterodt, S. R. Nutt, P. Zavattieri, and D. Kisailus. 2014. Bio-inspired impact-resistant composites. Acta Biomaterialia, 10(9): 3997–4008.
    • University of California-Riverside. 2015. Mantis shrimp inspires new body armor, football helmet design: researchers find mantis shrimp is naturally designed to survive the repeated high-velocity blows by filtering out certain frequencies of waves. ScienceDaily, June 17, 2015.
    • Venere, E. 2015. Creature's 'dactyl club' filters shear waves to resist damage. Purdue University News, June 16, 2015.
    • Weaver, J. C., G. W. Milliron, A. Miserez, K. Evans-Lutterodt, S. Herrera, I. Gallana, W. J. Mershon, B. Swanson, P. Zavattieri, E. DiMasi, and D. Kisailus. 2012. The stomatopod dactyl club: a formidable damage-tolerant biological hamer. Science, 336(6086): 1275-1280.
     
 
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