經過長期的演化,許多生物結構進化出了復雜而精巧的界面形貌。這些結構具有優異的力學性質,能夠實現重要的生物功能。然而,它們獨特形貌之下所蘊藏的強韌化與優化機理卻仍是待解之謎。
圖1 生物結構中的橢圓骨縫。(a)啄木鳥喙。(b)犀牛甲蟲翅鞘。(c)烏龜甲殼。(d)瓢蟲翅鞘。(e)鸚鵡螺甲殼。(f)鐵甲蟲翅鞘。
圖2 橢圓型骨縫拉拔過程的力學理論分析。(a)階段I。(b)階段II。(c)—(e)分別為考慮不同摩擦系數、縱橫比和聯鎖角時的力—位移關系和von Mises應力分布。
圖3橢圓骨縫的失效模式。(a)失效模式相圖。(b)有限元計算結果。(c)實驗測試結果。
圖4 不同橢圓骨縫結構的力學性質。(a)—(c)比較了三類橢圓骨縫的拉拔力學響應。(d)—(f)比較了它們的剛度、強度和韌性。
圖5 橢圓骨縫的最優化形態。(a)和(b),在不同摩擦系數下,縱橫比和聯鎖角對結構韌性的影響。(c)和(d),在最優縱橫比、聯鎖角附近的結構剛度和強度。
圖5預測了橢圓骨縫的最優化形態,給出了最佳的縱橫比和聯鎖角。有趣的是,理論預測的最優化形態與自然界中甲蟲翅鞘的真實形態非常接近。理論預測的優化形態可以使骨縫結構表現出綜合優異的剛度、強度和韌性。這項工作揭示了生物界面中橢圓型骨縫結構的強韌化和優化機理,不僅加深了對生物材料結構—性質內在聯系的理解,還為工程連接件、互鎖結構,以及防護系統的仿生設計提供了理論基礎。
論文信息:
Yun Xing#, Can Yang#, Shu-Yi Sun, Zi-Long Zhao*, Xi-Qiao Feng, Jialing Yang, Huajian Gao*, Mechanics of elliptical interlocking sutures in biological interfaces. Acta Biomaterialia, 2024.
https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.12.013
下載:Mechanics of elliptical interlocking sutures in biological interfaces
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