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仿生縱帶羊魚含鱗魚皮的輕型鎧甲

本篇介紹仿生縱帶羊魚的合成含鱗魚皮,經平面和撓曲等各種變形測試,仍能保持透明、輕便、柔軟靈活、和堅固等機械性能,未來可製造輕型鎧甲、耐久或耐磨的軟性電子設備、或保護塗層等。
 
 
 

魚類依骨骼組成可分成硬骨和軟骨魚類,其中硬骨魚類的表皮是一種常見的生物材料,具有超薄的膜和簡單堅固的微結構,耐壓力是軟骨魚的七倍,呈現柔順、輕量、和耐穿透等卓越機械性能,用來支撐和保護魚體、增加游泳效率、與避免被獵食者傷害,相當於天然的鎧甲。

 

美國科羅拉多大學(University of Colorado)韋爾內雷(Franck J. Vernerey)教授和加拿大麥基爾大學(McGill University)巴爾特拉(Francois Barthelat)教授合組研究團隊,2015年2月在《ACS應用材料與界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)期刊發表一款靈感源自縱帶羊魚(Mullus surmuletus)由類薄鱗(leptoid-like scales)組成的魚皮結構、機械性能和功能性的仿生合成含鱗魚皮,覆蓋在物體表面測試平面、撓曲等各種變形模式作用,仍能保持透明、輕便、柔軟靈活和堅固等機械性能,未來將可用於製造超輕的彈性鎧甲(防彈衣或防彈頭盔),或需具備耐久、耐磨性的軟性電子設備,例如觸覺探針、可植入生物感應器的保護塗層等,也可應用於車輛、飛機、和太空船的智能與自適應變形結構設計。

 

縱帶羊魚為硬骨魚類,也是常見的食用魚種,體長15-40公分,最重可達1公斤,屬於條鰭魚綱(Actinopterygii)鱸形目(Perciformes)鬚鯛科(Mullidae),分布於挪威西部至塞內加爾、維德角群島海域等東大西洋區,棲息在深度5-409公尺的沙泥底質海域,以多毛類、軟體動物、魚類等為食。本種含鱗魚皮具有複雜多層結構,自外至內分別為表皮層、基底膜層、真皮層(含stratum laxum和緻密層),其中柔軟的真皮層至少被三層魚鱗覆蓋,以類似疊放屋瓦的空間排列,每片魚鱗被固定或嵌入軟組織的鱗囊,標識魚鱗位置並容許魚鱗旋轉,使魚鱗與真皮層和相鄰魚鱗間相互作用,構成優良的機械性能保護魚體;並且這種重疊的薄片魚鱗,不像連續和剛性的保護性皮膚,當魚游泳運動時,魚皮可依需求彎曲、拉伸、和壓縮;由於魚鱗旋轉、彎曲和覆瓦狀重疊排列,能將施加到單片魚鱗的負載轉移到相鄰魚鱗,把力分散到更大面積上,減少對下層軟組織的局部損傷;若部分魚鱗因外力刺穿、損壞、或脫落等,這種結構也能提供多餘魚鱗備用,儘量維持完整的保護功能。

 

天然魚皮因具某種程度重疊空間排列、薄但相對堅硬的魚鱗,魚鱗下面是彈性基底膜層和真皮層,在基底膜層中規律分布可插入魚鱗的柔軟彈性囊(即鱗囊),成為機械反應的關鍵。研究團隊依此原則設計和簡化製作仿生含鱗魚皮,以彈性聚丙烯(polypropylene,簡稱PP)製造網孔10.26×5.62公釐的菱形開口網,模仿縱帶羊魚皮膚真皮層,由具1,300兆帕(Mpa=106Pa=106N/m2,壓強單位,等於每平方公尺106牛頓)的彈性模量、半徑0.06公釐,規律重複的正弦曲線纖維組成,泊松比(Poisson's ratio,簡稱ν,指材料受拉伸或壓縮力時會發生變形,其橫向變形量與縱向變形量的比值)縱向0.35、橫向0.26。網格中節點間的纖維橫向和縱向為5.13×2.81公釐。可提供面內彈性並在仿生魚皮變形時維持魚鱗位置,魚鱗可透過PP網旋轉並與相鄰魚鱗相互作用,提供類似魚皮緻密層的硬化反應。

 

採用醋酸丁酸纖維素(cellulose acetate butyrate,簡稱CAB)製成長、寬、高9.46×12.68×0.20公釐的仿生剛性魚鱗,具有800兆帕彈性模量,泊松比縱向0.25、橫向0.14,規格亦可用PP網的尺寸控制。製作時先沖壓兩個小的相鄰孔到每片魚鱗中心,將魚鱗穿過網孔中的開口,使每片魚鱗的上半部放在網頂,下半部置在網下方,再把魚鱗預製孔與網孔節點對準,最後用棉線將魚鱗縫到PP網的節點固定。模仿真正硬骨魚皮重疊率0.2-0.3,完成以覆瓦狀排列製成重疊率(魚鱗間距與長度)0.19,總面積153.39(橫向)×167.87(縱向)公釐覆蓋690片仿生魚鱗的整塊合成含鱗魚皮。其力學特徵如面內變形(in-plane deformation,拉伸強度)、撓曲(彎曲剛度)、和壓痕(穿刺強度及硬度)模式皆近似天然魚皮,組合不同仿生網及魚鱗材質或尺寸,甚至可超越天然魚皮性能。

 

研究團隊針對PP網、仿生合成含鱗魚皮、雙層CAB片等三種材料進行拉伸試驗,確認網格幾何形狀可作為設計參數,控制仿生合成含鱗魚皮的異向性(anisotropic)和其行為的線性,並實現剛度和彈性間的最佳平衡。撓曲變形的測試結果證實調整鱗囊(網的節點)的剛度和控制基底(網)厚度,可優化設計的柔軟性能機制。由於力的分布直接取決魚鱗尺寸,較大魚鱗會將力分散到較大面積上,單片魚鱗的中心最厚,具有最高穿刺阻力。在壓痕測試中,顯示合成含鱗魚皮的兩種失效情形,第一種魚鱗失效發生於壓頭刺穿單片魚鱗,造成相鄰重疊鱗片圍繞壓頭旋轉,可藉由限制魚鱗遭受高法向力(即正向力)時的相對運動來解決,例如微隆起可增加魚鱗表面皺紋或粗糙度抑制魚鱗彼此滑動;第二種網格失效又分為魚鱗翹曲、及當魚鱗自身折疊並被推過網格時的單根纖維失效,可改用凱芙拉(Kevlar®)輕質纖維或碳奈米管製網以增強網格材料。研究團隊未來將強化網材,可在壓痕測試期間避免或延遲纖維斷裂,並改變單片魚鱗形狀,防止魚鱗翹曲和被外力刺穿,以及增加魚鱗的彎曲強度,進一步優化設計仿生合成含鱗魚皮,透過光刻或印刷技術,自動化量產更輕、更強韌的鎧甲及其他相關應用產品。

 

(以上新聞編譯自2015年2月27日發行之ACS Applied Materials & Interfaces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

 
延伸閱讀:
Vernereya, F. J. and F. Barthelat. 2014. Skin and scales of teleost fish: simple structure but high performance and multiple functions. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 68: 66-76.
來源 來源:
Funk, N., M. Vera, L. J. Szewciw, F. Barthelat, M. P. Stoykovich, and F. J. Vernerey. 2015. Bioinspired fabrication and characterization of a synthetic fish skin for the protection of soft materials. ACS Applied Materials & Interfaces, 7 (10): 5972-5983.
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多層結構(1)
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