三种动物启发未来的盔甲

动物王国里充满了可怕的盔甲。有些生物身披坚硬的外壳或骨板。其他生物则喜欢更柔韧的鳞片。所有这些盾牌都是为了帮助佩戴者抵御大自然的袭击而专门设计的，无论是汹涌的海浪还是掠食者的牙齿和爪子。

现在，这个庞大的武器库正在启发人们设计新的装甲。科学家们正在研究海螺壳和鱼鳞为何如此坚韧，并设计自己的版本。他们甚至开始使用蜘蛛丝等材料，为这些超强粘性物质设计新的防护功能。几年后，这些新装甲可能会出现在防弹背心、防护手套、运动头盔甚至运动服中。

蒙特利尔麦吉尔大学机械工程师 Francois Barthelat 表示：“大自然玩这个游戏已经有数百万年了。它真的是一个非常大的灵感宝库。”

以下是动物帮助我们保护自己的三种方式。

扩大规模

鳄雀鳝是一种很难杀死的鱼。这种鱼生活在路易斯安那州和德克萨斯州等南部各州的水域，身上长着几乎无法穿透的鳞片。“它的骨质非常多，摸起来几乎像牙齿一样，”巴瑟拉特说。这层鳞片比大多数鱼鳞都重，所以鳄雀鳝无法快速移动。它还非常坚硬，普通的刀子无法切开它。巴瑟拉特说，要切开鳄雀鳝鳞片，最好用钢锯。

这使其成为制造能够抵御穿刺和撕裂的柔性护甲的理想灵感来源。Barthelat 和他的同事们从市场上取来死鱼，用一根细针刺穿它们的皮肤，以此来测试鱼鳞。他们发现，鲈鱼（一种更典型的鱼）的鱼鳞相当坚固。然而，“当我们对魣鱼进行同样的测试时，我们就是无法刺穿皮肤，”Barthelat 说。“小针基本上会弯曲和断裂。”他们换了一根更大的钢针，但仍然没能刺破魣鱼的鳞片。

团队对此印象深刻，现在正试图模仿雀鳝厚厚的皮肤。目前，他们专注于鳞片的排列方式，而不是材料本身。他们正在用 3D 打印技术将塑料“鳞片”打印到橡胶垫上，并调整其大小、间距、形状、厚度和其他属性，以查看哪种效果最好。

在尝试了几种不同的安排后，巴瑟拉特和他的团队发现最坚固的盔甲是那些与真正的雀鳝鳞片最相似的盔甲。他们还观察到，一堆较小的鳞片比较大的鳞片更难折断。成功的另一个关键是鳞片要重叠，就像大多数真正的鱼一样。当这些鳞片受到攻击时，它们可以将部分冲击力分散到相邻的鳞片上。这是盔甲的一个重要特性；如果捕食者的牙齿用力压在鳞片上，以至于压进动物柔软、脆弱的皮肤，即使鳞片没有被刺穿，它也会受伤。

该团队现在已开始制作陶瓷秤并将其粘在凯夫拉手套上，这种手套通常由需要接触尖锐物体的人佩戴。“戴上凯夫拉手套，你基本上可以握住菜刀的刀刃而不会割伤自己，”巴瑟拉特说。但是，虽然很难划破这些手套，但一根小针仍然可能滑入凯夫拉织物的线之间。这对分类回收或清洁公园的工人来说尤其危险，他们可能在针扎到手之前没有发现针。

巴瑟拉特说：“目前最好的技术也无法为他们所从事的工作提供足够的保护。”

他的目标是制造出既能保护佩戴者免受刺伤又足够柔韧的手套，让佩戴者可以自由移动双手。“如果我们能解决手套和手指的仿生设计问题，那么我们几乎可以处理身体上的任何情况，”他说。

他的原型上布满了约 2 毫米大小的氧化铝鳞片，但他计划在指关节周围制作更小的鳞片。该团队使用激光雕刻机切割鳞片，然后将其粘在手套上。他们正在与一家位于安大略省的工作手套制造商 Superior Glove 合作，以测试他们的发明。他说，该公司使用标准测试无法在 Barthelat 团队寄给他们的手套上打孔。

不过，即使是雀鳝护甲也有其局限性。鱼鳞擅长抵抗穿刺，但无法抵挡飞速的子弹。所以它们不是防弹背心的理想衬里。不过，鱼鳞可能对防刺伤的护甲有用。人们可以穿护甲来保护躯干，但脖子经常暴露在外。Barthelat 说，一种灵活的、以鱼鳞为灵感的护甲可能会保护这个脆弱的部位。

壳牌动力

自然界许多最坚固的防御结构都是由一些简单的成分制成的。麻省理工学院材料科学家 Markus Buehler 表示：“实际的材料并不重要，重要的是材料在形成这些结构时如何组合在一起。”

海螺壳就是这种情况。海螺壳是盔甲的灵感来源，因为它们的壳代表了自然界中最坚固的盔甲。这些动物建造的抗冲击房屋比珍珠层或珍珠母要坚韧 10 倍。但它们是由脆弱的材料制成的——稠度像果冻一样的蛋白质，以及易碎的白垩质矿物。“它们能够利用工程师甚至不会碰的非常简单的构建块，”Buehler 说。“我们不会用蛋白质或白垩来制造飞机。”

与工程师不同，海螺工不能出去购买钢材，如果他们对手头的供应不满意的话。因此，在贝壳中，这些原材料被排列成复杂的三层结构，小到肉眼无法看到。“果冻非常不稳定，而粉笔，你用锤子就能把它压成一千块，”布勒说。“但如果你以正确的方式混合它们……你可以创造出非常非常坚固的东西，实际上可以与工程装甲材料相媲美。”

Buehler 表示，在 3D 打印技术出现之前，研究人员不可能在物理上重现这些微小而复杂的结构。但他和同事们能够打印出模仿贝壳独特结构的材料片，这些材料片由一种刚性聚合物和另一种更柔软的聚合物制成。

他打印出的材料比真实材料更简单。“我们去掉了大自然发明的一些细节，”Buehler 说。“我们发现这很重要。”与鱼鳞类似，这种结构越接近天然装甲，其性能就越好。海螺状的聚合物碎片在落塔测试中更难破碎，落塔测试模拟了子弹等物体的穿透。这种设计很有前景，因为它既能抵抗开裂，又能消散撞击产生的能量。

为了制造真正的装甲，研究人员可能会用陶瓷或碳纤维代替聚合物。通过将它们排列成海螺状结构，我们可以改进我们目前所依赖的材料。

这些材料可以用于防弹衣或运动头盔。Buehler 说，目前我们的头盔结构相当简单，由聚苯乙烯泡沫塑料和硬壳制成。但有了海螺形设计，头盔可以做得更薄更轻，但坚固性却保持不变，或者可以保持相同的重量，但性能更好，Buehler 说。

这种盔甲可以根据你的个人体型进行个性化设计。Buehler 说，也许在未来，你可以扫描你的头骨，然后计算机会设计出一种基于海螺的盔甲或头盔，其形状与你完全相符。

不过，布勒说，批量生产这些盔甲的成本相当高。另一种可能性是使用简单的材料，比如在真正的海螺中找到的材料来制造盔甲。这可以降低成本，可能更环保，但我们需要特殊的 3D 打印机，可以真正操纵由这些材料制成的“墨水”，布勒说。或者我们可以设计微生物来分泌贝壳材料。也许它们能够制造出比我们的 3D 打印机更接近真实结构的结构。

丝绸之路

蜘蛛并不以身披厚重铠甲而闻名。但它们的蛛丝必须足够坚固，才能捕获猎物，或帮助它们悬挂在天花板上或在空中飞行。一根蜘蛛丝的强度足以阻止重量是其自身数万倍的飞虫。

丝线既坚韧又富有弹性，因此可以吸收大量能量。密歇根州安娜堡 Kraig Biocraft Laboratories 的首席运营官 Jon Rice 表示，这使其比人造丝和尼龙等合成纤维更具优势，人造丝和尼龙可以拉伸很多但强度不高，而凯夫拉等其他纤维强度极高但弹性不大。

世界各地的研究人员都在研究如何制造人造蜘蛛丝并将其纺成防弹背心。美国陆军已将一份合同授予克雷格公司，该公司正在开发比钢铁更坚固的转基因蜘蛛丝。

该公司对蚕进行基因改造，使其携带少量蜘蛛 DNA；这样，蚕就可以制造蜘蛛丝蛋白，而不是自己的丝。克雷格正在与宾夕法尼亚州的 Warwick Mills 等公司合作，将蜘蛛丝编织成防护织物。

“没人愿意拥有一个蜘蛛养殖场——一来令人毛骨悚然，二来效率低下，”赖斯说。蜘蛛是同类相食的，所以不能在狭小的空间内饲养。此外，我们从蚕身上采丝已有数千年的历史，我们知道它们是专心致志的蚕丝制造者。事实上，它们身体的 40% 都用于制造丝腺。

克雷格的“龙丝”单丝宽度仅为 4 至 10 微米，比人类的头发还要细。赖斯表示，目前它的强度约为凯夫拉纤维的三分之二，弹性是凯夫拉纤维的 10 倍。用这种“蜘蛛”丝制成的服装透气、可生物降解，对人体皮肤温和。此外，赖斯表示，它比我们今天使用的盔甲更轻、密度更小，因此穿戴者不会感到太重。

如今的防弹衣通常包含坚硬的陶瓷板；而克雷格的蜘蛛丝防弹衣则旨在吸收能量，同时又具有足够的弹性，可以弯曲并允许穿戴者四处移动。今年晚些时候，该公司将向美国陆军提供龙丝样品包，美国陆军将对其进行测试，希望能够制造出防弹背心和毯子，以保护人们免受爆炸伤害。这种丝绸还可用于制造防注射器手套或高端运动服。“幸运的是，我们中只有极少数人需要防弹衣，但有很多人外出跑步和锻炼，”赖斯说。龙丝也可能渗透到医学领域；他指出，古罗马人曾成功地使用蜘蛛丝来缝合伤口。

最终，他说，龙丝的生产成本可以与其他防护材料相近。该公司还设计了几种不同的人造蜘蛛丝；他们可以对其进行调整，使其更具弹性或更坚固，赖斯说。这意味着他们可以制造出比天然蜘蛛丝更坚固的材料。“以自然为起点并不总是必须定义我们的最终终点，”赖斯说。