供稿人:楊春成 李滌塵 發(fā)布日期：2017-10-21
2016年大年初一，由周星馳傾情導(dǎo)演的《美人魚(yú)》終于在萬(wàn)眾矚目下上映了，其所譜寫(xiě)的人魚(yú)愛(ài)情童話故事收獲了無(wú)數(shù)歡笑與感動(dòng)的淚水，一時(shí)間“美人魚(yú)”的造型紛紛出現(xiàn)在大街小巷中，深受追捧。但是，這些形形色色的“美人魚(yú)”們也只是徒有其表、名不符實(shí)，一到海底里估計(jì)也只能撲騰幾下，便了無(wú)生息了。所以，如何成為一只在海底自由遨游的“美人魚(yú)”呢，仿生多材料3D打印技術(shù)或許可以幫你忙。
來(lái)自美國(guó)克萊姆森大學(xué)與加拿大麥吉爾大學(xué)的研究人員專(zhuān)門(mén)對(duì)各種魚(yú)類(lèi)的魚(yú)鱗甲的宏微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并采用3D打印技術(shù)來(lái)重現(xiàn)其結(jié)構(gòu)功能，如圖1：存在于大多數(shù)硬骨魚(yú)類(lèi)的重疊鱗結(jié)構(gòu)（A），存在于雀鱔類(lèi)以及多鰭魚(yú)的連鎖咬合鱗結(jié)構(gòu)（B），存在于鯊魚(yú)的疊瓦鱗結(jié)構(gòu)（C），存在于箱鲀類(lèi)的嵌甲鱗結(jié)構(gòu)（D），以及存在于海馬類(lèi)以及海龍類(lèi)的鎖疊骨板鱗結(jié)構(gòu)（E）。
圖1 各種魚(yú)類(lèi)魚(yú)鱗甲的宏微結(jié)構(gòu)
如圖2，一些研究人員用3D打印技術(shù)打印出了存在于大多數(shù)硬骨魚(yú)類(lèi)的重疊鱗結(jié)構(gòu)的實(shí)際模型（A，B），并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這種重疊鱗結(jié)構(gòu)主要可以提高魚(yú)類(lèi)的移動(dòng)性（D）以及抗穿刺能力（C，E，F(xiàn)），即使被尖銳的物品刺中，也可以通過(guò)形體的變形躲開(kāi)嚴(yán)重的傷害，從而可以大大提高魚(yú)在海里的存活能力。
圖2 重疊鱗結(jié)構(gòu)可以提高魚(yú)類(lèi)的移動(dòng)性以及抗穿刺能力
而存在于雀鱔類(lèi)以及多鰭魚(yú)的連鎖咬合鱗結(jié)構(gòu)更加重視的是魚(yú)類(lèi)的保護(hù)性與靈活性的結(jié)合，如圖3，其頭部收斂的連鎖咬合鱗結(jié)構(gòu)將提供極大的剛度，從而保護(hù)魚(yú)的頭部抵抗傷害以及穿過(guò)阻力的能力，而尾部逐漸放開(kāi)的連鎖咬合鱗結(jié)構(gòu)將提供給魚(yú)很大的彎曲度以及靈活性（F）。
圖3 連鎖咬合鱗結(jié)構(gòu)是魚(yú)類(lèi)的保護(hù)性與靈活性的結(jié)合
鯊魚(yú)是海洋里的殺手，也是海洋里游得最快的魚(yú)類(lèi)之一，相關(guān)研究人員通過(guò)3D掃描和3D打印技術(shù)制造出3D打印鯊魚(yú)皮，從而發(fā)現(xiàn)了鯊魚(yú)魚(yú)鱗甲上特殊的疊瓦鱗結(jié)構(gòu)，如圖4（A，B，C，D），這種結(jié)構(gòu)在游動(dòng)時(shí)可以大大減少運(yùn)動(dòng)阻尼，提高游泳速度，并降低能量消耗。
圖4 疊瓦鱗結(jié)構(gòu)可以降低運(yùn)動(dòng)阻尼
存在于箱鲀類(lèi)的嵌甲鱗結(jié)構(gòu)是一種具有高抗力的外結(jié)構(gòu)，研究人員通過(guò)3D打印出來(lái)的仿生結(jié)構(gòu)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，如圖5，其互相鑲嵌的齒狀結(jié)構(gòu)可以提供很好的強(qiáng)度、剛度以及韌性，從而最大限度地保護(hù)此類(lèi)魚(yú)的內(nèi)部器官。
圖5 嵌甲鱗結(jié)構(gòu)可以最大限度地保護(hù)魚(yú)的內(nèi)部
而海馬的鎖疊骨板鱗結(jié)構(gòu)可以大大增加其尾部的彎曲性，如圖6，通過(guò)3D打印技術(shù)，可以仿造出海馬的尾部結(jié)構(gòu)，從而可以自由地纏繞到管狀物體上，也可以通過(guò)尾部的變形，提供給海馬運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。
圖6 海馬的鎖疊骨板鱗結(jié)構(gòu)可以增加尾部的彎曲性
由此可見(jiàn)，仿生多材料3D打印技術(shù)，不僅可以幫助我們探索魚(yú)類(lèi)魚(yú)鱗甲的結(jié)構(gòu)秘密，也可以仿造出同樣的魚(yú)皮來(lái)，當(dāng)人穿上這些魚(yú)皮結(jié)構(gòu)時(shí)，這些大自然神奇的結(jié)構(gòu)就可以幫助我們減少水的阻力，提高在海里活動(dòng)的靈活性，并可以在一定程度上提供外在保護(hù)，真正地讓你離成為“美人魚(yú)”更近了一步。