Chiton mollusk giver model til nyt panserdesign

Motivationerne for at bruge biologi som inspiration til ingeniørarbejde varierer afhængigt af projektet, men for Ling Li, assisterende professor i maskinteknik på College of Engineering, kombinationen af ​​fleksibilitet og beskyttelse set i chiton-bløddyret var al den nødvendige motivation.

"Det system, vi har udviklet, er baseret på chiton, som har et unikt biologisk pansersystem, " sagde Li. "De fleste bløddyr har en enkelt stiv skal, såsom abalonen, eller to skaller, såsom muslinger.

Men chitonen har otte mineraliserede plader, der dækker toppen af ​​væsnet, og rundt om sin base har den et bælte af meget små skæl, der er samlet som fiskeskæl, der giver fleksibilitet såvel som beskyttelse."

Lis arbejde, som blev omtalt i journalen Naturkommunikation 10. december, er resultatet af et samarbejde med forskere fra forskellige institutioner, herunder Massachusetts Institute of Technology, Dana-Farber Cancer Institute ved Harvard Medical School, California State University, Fullerton, Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, Tyskland, og Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University.

Fordi det mekaniske design af chitonens bælteskalaer ikke var blevet undersøgt til bunds før, teamet af forskere skulle starte med grundlæggende materiale og mekanisk analyse med bløddyret, før de brugte den information som bio-inspiration til ingeniørforskningen.

"Vi studerede dette biologiske materiale på en meget detaljeret måde. Vi kvantificerede dets interne mikrostruktur, kemisk sammensætning, nano-mekaniske egenskaber, og tredimensionel geometri. Vi studerede de geometriske variationer af skalaerne på tværs af flere chitonarter, og vi undersøgte også, hvordan skalaerne samles gennem 3-D tomografianalyse, " sagde Li.

Holdet udviklede derefter en parametrisk 3D-modelleringsmetodologi til at efterligne individuelle skalaers geometri. De samlede individuelle skalaenheder på enten flade eller buede underlag, hvor vægtens størrelser, orienteringer, og geometrier kan også varieres, og brugte 3-D-print til at fremstille de bio-inspirerede pansermodeller i skala.

"Vi producerede den chiton-skala-inspirerede vægtsamling direkte med 3-D multi-materiale print, som består af meget stive skæl på toppen af ​​et fleksibelt underlag, " forklarede Li. Med disse fysiske prototyper af kontrollerede prøvegeometrier og -størrelser, holdet udførte direkte mekaniske test på dem med kontrollerede belastningsforhold. Dette gjorde det muligt for forskerne at forstå mekanismerne bag det biologiske pansersystems dobbelte beskyttelsesfleksibilitet.

Måden, vægtpansringen fungerer på, er, at når den er i kontakt med en styrke, skællene konvergerer indad mod hinanden for at danne en solid barriere. Når den ikke er under magt, de kan "bevæge sig" oven på hinanden for at give varierende mængder af fleksibilitet afhængig af deres form og placering.

"Styrken kommer fra, hvordan vægten er organiseret, fra deres geometri, " sagde Li. "Rezas [Mirzaeifar, assisterende professor i maskinteknik] har gjort et fantastisk stykke arbejde ved at bruge beregningsmodellering til yderligere at afsløre, hvordan skalapansringen bliver sammenlåst og stiv, når den eksterne belastning når en kritisk værdi."

Udformningen af ​​stedspecifik rustning tager højde for størrelsen af ​​de anvendte skalaer. Mindre skalaer, såsom dem omkring chitonens bælt, er mere nyttige for regioner, der kræver maksimal fleksibilitet, mens større skalaer bruges til områder, der kræver mere beskyttelse. "At arbejde med Reza, vores næste skridt er at udvide rummet, så vi kan designe skræddersyet rustning til forskellige kropsplaceringer.

Fleksibiliteten i forhold til beskyttelsesbehovet for brystet, for eksempel, vil være anderledes end for albuen eller knæet, så vi bliver nødt til at designe skalaenheden i overensstemmelse hermed med hensyn til skala geometri, størrelse, orientering, etc."

Arbejdet, der præsenteres, begyndte med finansiering fra forsvarsministeriet, da Li var uddannet forskningsassistent ved Massachusetts Institute of Technology. Siden han ankom til Virginia Tech i 2017, arbejdet er fortsat uden sponsorering som en del af hans start-up finansiering.

"Vi startede med en ret ren motivation - på udkig efter multifunktionelle biologiske materialer, "Li sagde. "Vi ønskede at integrere fleksibilitet og beskyttelse, og det er meget svært at opnå med syntetiske systemer. Vi vil fortsætte med vores forskning for at udforske designrummet ud over det originale biologiske modelsystem og udføre test under forskellige belastningsforhold."

Li indrømmer processen, som har taget flere år, er lang, men arbejdet er unikt i, hvordan de har grebet det an fra starten som en to-trins proces i at udføre den grundlæggende biologiske materialeforskning efterfulgt af den bioinspirerede forskning.

"At have det niveau af fortrolighed med emnet har været meget nyttigt til design og modellering af rustningen, " sagde Li. "Jeg tror, ​​at denne type bio-inspireret rustning vil repræsentere en væsentlig forbedring af det, der er tilgængeligt i øjeblikket."