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核桃帶給我們的啟示 - 北航樊瑜波教授、王麗珍教授團隊《Adv. Sci.》:在損傷、防護生物力學機制研究方面的重要進展
2023-08-03  來源:高分子科技

  交通事故及體育運動等環境中人體面臨復雜的動態載荷,且其致傷率和致死率非常高。自然界中核桃等經過長期進化形成獨特防護性能,師法自然從中獲得啟示和靈感,對于人體損傷防護具有重要的意義。


  北京航空航天大學生物與醫學工程學院、生物力學與力生物學教育部重點實驗室、北京市生物醫學工程高精尖創新中心樊瑜波教授、王麗珍教授團隊對核桃殼的輕質增強增韌機制開展生物力學研究,以“Fracture resistance biomechanisms of walnut shell with high-strength and toughening”為題發表于著名綜合性期刊《Advanced Science》。樊瑜波教授為該文通訊作者,王麗珍教授及博士后徐鵬為該論文共同第一作者,北京航空航天大學為唯一完成單位(Adv. Sci. 2023, 2303238)。該研究團隊長期針對高過載損傷與防護領域面臨損傷率高、防護難等挑戰,本質是損傷機制不清/耐限不準、防護技術及裝備效能不足的問題開展基礎研究與技術攻關,該研究是團隊在國家自然科學基金委聯合基金(U20A20390)等項目資助下,在損傷與防護生物力學研究領域取得的又一重要進展。



  該研究揭示了核桃質心及形心、內部支撐結構及殼體材料微結構特征和力學性能分布特征。首次發現質心與形心不對稱分布造成碰撞后旋轉耗能而降低回彈高度和沖擊力峰值;發現核桃內部獨特的分心木結構對整體剛度具有增強作用,可抵抗外力導致的大變形、避免開裂進而實現對果仁的保護;發現核桃殼力學性能和孔隙率呈現獨特的S形梯度分布,根據力學理論推導、數值模擬以及實驗驗證發現S形梯度分布增強殼體緩沖能力、降低峰值載荷;此外殼體單細胞壁為內凹多胞狀具備拉脹特性,且細胞壁上紋孔結構可使裂紋偏轉,增加了細胞壁在變形和斷裂過程中的能量消耗,實現了微觀尺度上的增強增韌。 


核桃殼體力學性能/孔隙率梯度分布規律及增強機制 


核桃殼體單細胞壁微觀結構及其增強增韌機制


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202303238

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