生物盔甲及仿生鱗片狀柔性防護(hù)裝具研究進(jìn)展

朱德舉 ，王丹 ，楊俊杰

［1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.綠色先進(jìn)土木工程材料及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖南大學(xué)），湖南 長沙 410082］

現(xiàn)代防護(hù)裝具飛速發(fā)展，防護(hù)性能大幅度提升，但是防護(hù)性能的提高通常伴隨著質(zhì)量的增加以及柔性的降低［1-2］，輕量化的柔性防護(hù)裝具的研發(fā)成為目前研究的熱點(diǎn)［3］.為了獲得柔性與防護(hù)兩者兼?zhèn)涞奶胤N裝具，研究人員從自然界獲得了很多靈感［4-5］.天然生物盔甲因具備優(yōu)越的綜合性能而引起廣泛關(guān)注.將生物盔甲的組成結(jié)構(gòu)與保護(hù)機(jī)制應(yīng)用于防護(hù)裝具的設(shè)計(jì)，有望研發(fā)出具備良好防護(hù)性能與穿戴舒適性的柔性裝具，為新型防護(hù)裝具的設(shè)計(jì)提供新思路［6-7］.

生物盔甲經(jīng)過長期且嚴(yán)苛的自然篩選，進(jìn)化出各種形狀以及結(jié)構(gòu)形式，復(fù)雜多變的生物盔甲結(jié)構(gòu)為生物在自然界中的生存提供了優(yōu)異的防護(hù)性能.同時(shí)，生物盔甲良好的柔韌變形能力，保證了生物在遇到危險(xiǎn)時(shí)行動的靈活性［8］.昆蟲等生物的肢體具有高韌性、高強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)多變等特點(diǎn)［9］.魚鱗片的覆瓦狀排布為魚類提供了良好的靈活性.哺乳動物犰狳體表覆蓋著堅(jiān)硬骨質(zhì)鱗片，硬質(zhì)外殼滿足其靈活行動以及防護(hù)的雙重需求.通過不同的排布方式所形成的鱗片盔甲，滿足了動物抵抗外界攻擊、保護(hù)自我的需求.生物盔甲呈現(xiàn)出獨(dú)特的防護(hù)機(jī)制，其綜合了硬防護(hù)系統(tǒng)與軟防護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)［1，9］.借鑒生物盔甲的結(jié)構(gòu)與組成，仿生防護(hù)裝具能夠兼?zhèn)淞己玫娜犴g性和優(yōu)異的防護(hù)性能.

本文綜述了生物盔甲以及仿生防護(hù)裝具的研究現(xiàn)狀，介紹了不同類型的仿生防護(hù)裝具的防彈性能，展望了今后仿生防護(hù)裝具研究發(fā)展方向.

1 生物盔甲的結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能

生物盔甲是由若干鱗片或硬骨皮通過不同形式的疊合排列組合而成.不同物種的盔甲防護(hù)機(jī)制并不相同，鱗片的材料、形狀、排布、幾何尺寸對防護(hù)效果都有不同的影響［10］.各種各樣的生物盔甲在自然演變中逐步進(jìn)化出不同的防護(hù)機(jī)制.生物盔甲的多重防護(hù)機(jī)制，在保證生物靈活行動的同時(shí)，還具備優(yōu)異的防護(hù)性能幫助其抵抗外界攻擊［11］.如圖1 所示，自然界中擁有生物盔甲的動物主要包括：軟體動物、哺乳動物（犰狳、穿山甲）、爬行動物（烏龜、鱷魚）以及各種魚類［12］.

圖1 生物盔甲的分類以及代表性生物Fig.1 Classification of biological armors and representative creatures

生物盔甲的良好防護(hù)性能在某種程度上又會制約其靈活性和柔韌性，圖2 展示了幾種常見生物的鱗片尺寸.其中，蝴蝶翅膀的鱗片尺寸最小，具有很高的變形靈活性，但其抵御外界攻擊的能力最低.如何協(xié)調(diào)好防護(hù)裝具的防護(hù)性能與可變形性之間的矛盾關(guān)系，成為現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn).如犰狳、魚類等外表皮鱗片尺寸既保證了動物本身活動的靈活性，又可幫助其抵抗自然界捕食者的攻擊.目前對于生物盔甲的研究主要集中于兩類：硬質(zhì)盔甲與軟質(zhì)盔甲，生物軟質(zhì)盔甲的研究主要應(yīng)用于人體防護(hù)領(lǐng)域.

圖2 常見生物的鱗片尺寸（單位：m）Fig.2 The scale size of common animals（unit：m）

1.1 魚鱗盔甲和犰狳盔甲

魚鱗是鱗片類軟質(zhì)生物盔甲極具代表性的一種.魚鱗通過嵌入魚皮纖維組織中，有序排列形成天然盔甲［13］.Ikoma等［14］發(fā)現(xiàn)紅鱸魚魚皮底層是高彈性真皮層，表皮是薄而硬的鱗片，鱗片嵌入真皮層口袋.由于柔軟的彈性真皮層的支撐作用，魚皮具有良好的變形能力.當(dāng)彎曲變形時(shí)，魚皮表面的口袋作為鱗片的彈性支撐，為其提供平面外旋轉(zhuǎn)的抵抗力［15］.鱗片的彈性模量比真皮的彈性模量大幾個(gè)數(shù)量級，具有很強(qiáng)的抗穿透能力［16］.張俊杰等［16］發(fā)現(xiàn)鯉魚鱗片在脫鈣過程中鈣化層溶解變薄，經(jīng)過鹽酸處理后魚鱗片的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生很大改變，強(qiáng)度大大降低.說明以羥基磷灰石為主要成分的鱗片硬質(zhì)層為魚鱗堅(jiān)韌的性能作出了重要的貢獻(xiàn).魚鱗鱗片厚度較小，保證了其較低的彎曲剛度和面密度，使整個(gè)魚鱗盔甲兼顧優(yōu)良的靈活性與防護(hù)性能.鱗片的周期排列可以通過鱗片形狀、幾何尺寸和排列方式來表征［17］.魚鱗片可分為4 種：楯鱗、櫛鱗、圓鱗和硬鱗，不同魚鱗片的疊加模式存在差異，如圖3 所示.不同類型的魚鱗片滿足不同魚類的生存需求，如鯊魚鱗片可以有效地減小鯊魚在水中的阻力［11］.雖然不同魚鱗片尺寸會有很大差異，但其排列方式表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)囊恢滦裕?5］.

圖3 魚鱗片的分類和排布方式Fig.3 Classification and arrangement of fish scales

汪靜等［17］觀測了魚鱗片表面微觀結(jié)構(gòu)，對比分析了大黃魚和鱸魚鱗片不同區(qū)域的鱗嵴間距.汪久根等［18］基于對魚鱗減阻原理的分析，提出針對不同黏度介質(zhì)中的運(yùn)動物體應(yīng)采用相應(yīng)的減阻表面設(shè)計(jì).Zhu等［19］對4種魚類的表皮形態(tài)以及鱗片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)鱗片的表皮形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、骨質(zhì)層與膠原層的厚度比及其多級結(jié)構(gòu)密切相關(guān).如圖4 所示，淡水魚鱗片的表面形態(tài)相似，其上部和右部條紋相近.深海魚的鱗片表面條紋更加密集，細(xì)小顆粒在中心位置分布更加均勻.不同魚類的鱗片結(jié)構(gòu)相似，都是由硬質(zhì)的骨質(zhì)層與軟質(zhì)的膠原層組成.圖5為4種魚類鱗片的多級結(jié)構(gòu).魚鱗片膠原層由膠原蛋白纖維螺旋排列組成，不同位置的魚鱗片骨質(zhì)層與膠原層的厚度不同，變化規(guī)律與魚類所在水域有明顯相關(guān)性.雖然淡水魚和深海魚各部位鱗片的骨質(zhì)層與膠原層厚度呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，但是兩類魚的骨質(zhì)層與膠原層厚度均在魚身中部位置達(dá)到最大值，由中部向邊緣厚度逐漸減小.

圖4 4種魚類鱗片的表面形態(tài)［19］Fig.4 Surface morphology of scales from four fish species［19］

圖5 4種魚類鱗片的多級結(jié)構(gòu)［19］Fig.5 Hierarchical structures of scales from four fish species ［19］

相比于魚鱗片的覆瓦狀疊加的排布方式，犰狳作為哺乳動物，其外部骨皮盔甲由多邊形硬質(zhì)鱗片平面拼接組成，通過膠原蛋白纖維的連接與全身各部位進(jìn)行黏合.這種兼具良好的柔性與優(yōu)異的防護(hù)性能的盔甲提高了犰狳的生存能力［20］.如圖6 所示，犰狳外骨皮盔甲主要分為5 個(gè)部分：頭部、胸部、背部（帶狀部分）、骨盆和尾部.犰狳的骨皮主要分為2種形態(tài)：即帶狀骨片所組成的背部盔甲以及多邊形骨片組成的胸部和骨盆盔甲.骨盆部位的骨皮由4層結(jié)構(gòu)組成（圖7）：表皮、乳突狀真皮、網(wǎng)狀真皮以及皮下軟組織［21-22］.犰狳骨皮的鱗片（多為六邊形）富含鈣，鱗片交接處為蛋白質(zhì)纖維.蛋白質(zhì)纖維的支撐連接作用提高了犰狳盔甲的整體性以及柔性［20-21］.

圖6 犰狳外骨皮生物盔甲的組成［9］Fig.6 The composition of armadillo outer skin biological armor［9］

圖7 犰狳的骨皮橫切面［9，21］Fig.7 Cross-section of armadillo skin section ［9，21］

1.2 生物盔甲力學(xué)性能的研究

1.2.1 拉伸、彎曲和斷裂性能

Zhu 等［19］對4 種魚類不同部位的鱗片進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)（圖8），探究了水域因素對魚鱗片力學(xué)性能的影響，闡明了不同部位魚鱗片力學(xué)性能的差異（圖9）.不同魚鱗片的拉伸性能、韌性、彈性模量與其所在位置有關(guān).深水魚鱗的拉伸性能要好于淡水魚鱗.魚鱗片的韌性隨部位的變化規(guī)律同魚類所處海域有關(guān).從魚頭部至尾部，金鯽鱗片的韌性逐漸降低，彈性模量值也逐漸降低.劉鵬等［23］進(jìn)一步對草魚鱗片進(jìn)行了軸向拉伸測試，具體分析了含水量以及應(yīng)變率對魚鱗片力學(xué)性能的影響.Chen 等［21］從犰狳外骨皮盔甲的不同部位割取相同尺寸的試樣進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，并與其他食肉生物盔甲進(jìn)行了對比，分析了犰狳外骨皮的含水量對其力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)潤濕的犰狳盔甲比干燥的具有更好的拉伸性能.

圖8 魚鱗片的選取部位與試樣尺寸［19］Fig.8 Different regions on fish body for selecting fish scales and sample size ［19］

圖9 4種魚類不同部位鱗片的力學(xué)性能［19］Fig.9 Mechanical properties of scales from different parts of four fish species ［19］

Currey［24］發(fā)現(xiàn)部分魚鱗片具有很高的韌性，即使浸入液態(tài)氮也不會發(fā)生斷裂.Bruet等［25］研究了塞內(nèi)加爾多鰭魚的鱗片結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其鱗片能夠起到非常有效的保護(hù)作用，主要與鱗片多層結(jié)構(gòu)的組成物質(zhì)力學(xué)性能、厚度和幾何構(gòu)成等因素有關(guān).在集中荷載作用下，層間會出現(xiàn)徑向表面裂紋，各層之間有正交微裂紋出現(xiàn).Yang 等［26］對飽水和風(fēng)干狀態(tài)的鱷雀鱔鱗片進(jìn)行壓縮和三點(diǎn)彎曲測試.結(jié)果表明，風(fēng)干鱗片的裂紋沿膠原纖維層擴(kuò)展；飽水鱗片的礦化層和膠原蛋白纖維相互連接，阻礙了裂紋擴(kuò)展.塞內(nèi)加爾多鰭魚鱗片的力學(xué)性能為各向異性，利用同步加速X 射線掃描重構(gòu)得到了清晰的裂紋擴(kuò)展路徑.發(fā)現(xiàn)在飽水狀態(tài)下，裂紋擴(kuò)展接近直線，而脫水狀態(tài)下，裂紋呈曲線.

Funk 等［5］基于紅鯔魚的鱗片結(jié)構(gòu)制備了仿生魚皮，并研究了平面內(nèi)變形、彎曲和壓痕變形過程中的力學(xué)響應(yīng).通過實(shí)驗(yàn)與模型分析結(jié)合的方法，闡明了其獨(dú)特性能的關(guān)鍵機(jī)制，提供了設(shè)計(jì)仿生魚皮的規(guī)則.Marino 等［27］通過單軸拉伸試驗(yàn)得到了不同位置鯉魚鱗片的力學(xué)性能，并闡明了含水率對鯉魚鱗片力學(xué)性能的影響.Allison 等［28］研究了飽水狀態(tài)下鱷雀鱔鱗片的斷裂行為.研究發(fā)現(xiàn)，鱗片的破壞是由于微層之間發(fā)生滑移，膠原纖維發(fā)生斷裂和拔出.Zimmermann 等［29］采用小角射線散射技術(shù)（Small Angle X-ray Scattering，SAXS）研究了巨骨舌魚鱗片膠原纖維微層的疊加角度.在拉伸荷載作用下，大部分膠原纖維微層朝著受拉軸方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)和拉伸變形，而其他膠原纖維微層會偏離受拉軸方向并發(fā)生壓縮變形，從而提高鱗片的延性和韌性.

Vernerey 等［30］建立了二維微觀力學(xué)模型來解釋宏觀層面上鱗片結(jié)構(gòu)的彎曲變形與鱗片幾何尺寸和力學(xué)性能的關(guān)系.Vernerey 等［31］基于魚鱗片的疊加周期性建立了有限元模型，模擬結(jié)果表明，多鱗片結(jié)構(gòu)具有各向異性，其縱向的初始抗彎剛度較低，隨著彎曲曲率的增加，縱向抗彎剛度逐漸升高.魚鱗盔甲的縱向抗彎剛度與鱗片和真皮組織的連接剛度有很大關(guān)系.

1.2.2 抗穿刺和抗沖擊/侵徹性能

為了探究生物盔甲的保護(hù)機(jī)制，研究者采用穿刺實(shí)驗(yàn)和有限元模擬對其防護(hù)性能進(jìn)行了較深入的研究.Meyers等［32］發(fā)現(xiàn)巨骨舌魚鱗片外層高度鈣化，擁有很強(qiáng)的防護(hù)能力；膠原內(nèi)層使得鱗片破壞之前能夠承受很大的變形，具有很好的韌性.利用水虎魚牙齒對巨骨舌魚鱗片進(jìn)行穿刺實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在鱗片被侵入前，水虎魚牙齒已開裂.Zhu 等［33-34］對鱸魚鱗片使用尖銳物進(jìn)行了穿刺測試，發(fā)現(xiàn)魚鱗片的抗穿刺性能優(yōu)于聚苯乙烯和聚碳酸酯.White等［35］基于硬骨魚皮膚結(jié)構(gòu)制備了仿生鱗片，研究分析了鱗片表面形態(tài)、鱗片間摩擦力和表皮覆蓋度等生物學(xué)相關(guān)參數(shù)對鱗片穿透阻力的影響，結(jié)果表明，鱗片的表面形貌包含環(huán)帶與棱狀結(jié)構(gòu)，這種不規(guī)則結(jié)構(gòu)越多，鱗片間的摩擦系數(shù)越大，進(jìn)而片層整體嵌鎖強(qiáng)度越高.Vernerey 等［30］根據(jù)魚鱗結(jié)構(gòu)的形狀和排布，建立了仿魚鱗結(jié)構(gòu)的微觀力學(xué)模型，模擬了在抗穿刺或彎曲時(shí)魚鱗片之間的相互作用，闡明了魚鱗結(jié)構(gòu)的彎曲響應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)其對于特定的微尺度特征表現(xiàn)出應(yīng)變硬化.Allison 等［28］研究了短吻鱷的礦化鱗片化學(xué)成分的空間分布和力學(xué)性能.通過微壓痕試驗(yàn)，研究鱗片在沖擊載荷和穿透載荷作用下的裂紋形態(tài)和損傷部位，探討魚鱗盔甲的防護(hù)機(jī)理.Chandler 等［36］建立了鱷魚鱗片與長尾鯊鱗片的有限元模型，研究其多層結(jié)構(gòu)在侵徹荷載作用下的力學(xué)響應(yīng).兩種鱗片都具有外層硬內(nèi)層軟的結(jié)構(gòu)，在微納米壓痕測試中兩種鱗片呈現(xiàn)出不同的斷裂路徑和破壞模式，這是由于兩種鱗片的層間結(jié)構(gòu)不同，軟硬層厚度比和層間界面性能存在差異.

綜上所述，生物鱗甲結(jié)構(gòu)可以兼顧軟硬兩種防護(hù)方式的優(yōu)勢，形成了靈活變形的防護(hù)結(jié)構(gòu).生物鱗甲結(jié)構(gòu)的能量耗散機(jī)制啟發(fā)了研發(fā)人員設(shè)計(jì)與制備新型防護(hù)裝具.目前針對生物盔甲力學(xué)性能以及其防護(hù)機(jī)理的相關(guān)研究，已為仿生柔性防護(hù)裝具奠定了理論基礎(chǔ).通過對生物鱗片的實(shí)驗(yàn)研究，掌握了其抗侵徹的基本規(guī)律和防護(hù)機(jī)理.研究者借鑒生物鱗片的多級結(jié)構(gòu)，有望研發(fā)出同時(shí)具有良好防護(hù)性能與柔韌性的新型防護(hù)裝具.

2 仿生防護(hù)裝具的設(shè)計(jì)研究

仿生防護(hù)裝具的設(shè)計(jì)研究，可劃分為鱗片類仿生結(jié)構(gòu)與拓?fù)渎?lián)鎖類仿生結(jié)構(gòu)兩類.將動物盔甲的多層次防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，所制備的仿生防護(hù)裝具展現(xiàn)出優(yōu)異綜合性能.仿生防護(hù)裝具的研究方式主要為：彈道試驗(yàn)、有限元模擬以及解析模型計(jì)算.仿生防護(hù)結(jié)構(gòu)研究路線示意圖如圖10［37］所示.彈道試驗(yàn)結(jié)果具有直觀性、可靠性，因此彈道試驗(yàn)是研究各類防護(hù)裝具、防護(hù)結(jié)構(gòu)防彈性能的基本研究方式.在彈道試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對防護(hù)裝具力學(xué)性能以及防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，可以進(jìn)一步分析仿生防護(hù)裝具的損傷方式、應(yīng)力擴(kuò)散以及破壞過程等.新科學(xué)技術(shù)的誕生，如3D 打印技術(shù)，為特殊結(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供新的研究方法和技術(shù)途徑.

圖10 仿生防護(hù)結(jié)構(gòu)研究路線示意圖［37］Fig.10 Schematic diagram of research route of biomimetic protection structures ［37］

2.1 鱗片類仿生結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

復(fù)雜多樣的生物鱗片可通過3D 打印技術(shù)制作相關(guān)模型，研究生物盔甲的力學(xué)性能與防護(hù)機(jī)制.Martini 等［38］使用3D 打印技術(shù)制作了不同幾何形狀和排列方式的仿生鱗片（圖11），對丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS）的仿生鱗片進(jìn)行穿刺測試和彎曲測試，分析模型的抗穿刺阻力特征.結(jié)果表明，抗穿刺性與柔韌性呈反相關(guān).簡單平鋪的排列方式可以獲得最優(yōu)的柔韌性，但是抗穿刺性能極弱.相比之下，具有拓?fù)鋸?fù)雜排列方式的模型，具備優(yōu)異的抗穿刺性能，但柔韌性相對較低.仿硬骨魚鱗片的模型可以兼具抗穿刺阻力和彎曲柔性.Rudykh 等［39］利用3D 打印技術(shù)制作了硬/軟材料組合的仿生多層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的柔韌性與防護(hù)性能可以通過幾何參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并且引入了“保護(hù)柔度”指標(biāo)來表征抗穿刺性能與柔韌性.Song［40］采用3D 打印技術(shù)對兩種魚類鱗片裝甲模型進(jìn)行了研究，對魚鱗片的力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析.Martini 等［41］基于魚鱗盔甲制備了覆有硬質(zhì)陶瓷的柔性結(jié)構(gòu)，采用拉伸和釋放的制備方法有效地控制了鱗片的重疊程度.與單純的硅膠層相比，復(fù)合鱗甲的抗穿刺性提高了10 倍.氧化鋁鱗甲結(jié)構(gòu)相比其他結(jié)構(gòu)能承受更大的沖擊力，最終失效方式呈現(xiàn)脆性特征，這是軟基體硬防護(hù)的典型特征［42］.Martini等［43］發(fā)現(xiàn)靶鱗片與相鄰鱗片發(fā)生偏轉(zhuǎn)和一定程度的旋轉(zhuǎn)，這與鱗片的幾何尺寸和排列方式有關(guān)，與上述Rudykh 等［39］的研究分析相似.綜上所述，可以通過改變鱗片的幾何形狀和排列方式等方法，通過鱗片間的相互作用機(jī)制來提高鱗片的穩(wěn)定性，進(jìn)而提升其防護(hù)性能.

圖11 3D打印制備的不同形狀和排列方式的仿生鱗片結(jié)構(gòu)［38］Fig.11 Biomimetic scale structures with different shapes and arrangements prepared by 3D printing ［38］

2.2 拓?fù)渎?lián)鎖類仿生結(jié)構(gòu)研究

拓?fù)渎?lián)鎖結(jié)構(gòu)作為一種致密結(jié)構(gòu)，最早應(yīng)用于建筑圓頂結(jié)構(gòu)，其在剛度、韌性等力學(xué)性能方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能［44］.拓?fù)渎?lián)鎖材料在結(jié)構(gòu)上為不規(guī)則塊體自由鑲嵌組合，可以承受振動并有效地消散振動能量［45］.因此，拓?fù)渎?lián)鎖結(jié)構(gòu)常被應(yīng)用于大跨度建筑物中.拓?fù)渎?lián)鎖結(jié)構(gòu)通過特殊形狀的塊體進(jìn)行平面排列拼接，塊體間避免使用連接器，塊體間通過摩擦阻力避免相對滑動，采用整體外圍約束將整個(gè)拓?fù)渎?lián)鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定［46-47］.拓?fù)浠ユi結(jié)構(gòu)中的斷裂模式為裂紋擴(kuò)展，且裂紋尺寸大于塊體尺寸.塊體連接邊界能夠有效阻止裂紋擴(kuò)展，從而提高整體斷裂韌性［48-49］.基于龜殼骨段之間的拓?fù)渎?lián)接原理，Estrin等［50］制作了不規(guī)則四面體的互鎖塊（圖12），通過幾何互鎖增加仿生鎖塊的剛度，四面體拓?fù)浠ユi組件與海龜骨段的幾何互鎖類似.在垂直于某一層的方向上，拓?fù)浠ユi結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力可以通過橫向約束的大小來控制［50］.Khandelwal 等［51］受蜂窩啟發(fā)制備了類似六邊形單元組件進(jìn)行拓?fù)浯罱樱⑼ㄟ^落錘試驗(yàn)測試了脆性基材拓?fù)錁?gòu)件（Topological Interlocking Material，TIM）力學(xué)性能.試驗(yàn)證明，與傳統(tǒng)材料相比，TIM 具有優(yōu)越力學(xué)性能，其強(qiáng)度和韌性之間存在正相關(guān)性［51］.骨骼等天然結(jié)構(gòu)材料表現(xiàn)出優(yōu)越的剛度、強(qiáng)度和韌性，這是由于其內(nèi)部交錯(cuò)排列的微薄片平行排列并部分重疊，層間被軟質(zhì)的有機(jī)物黏合.

圖12 仿龜殼骨段的四面體互鎖塊［50］Fig.12 Tetrahedral interlocking blocks of imitated tortoise shell bone segment ［50］

仿生拓?fù)浠ユi結(jié)構(gòu)具有更穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展，增大了整體的斷裂韌性和損傷極限.基于連續(xù)介質(zhì)方法的模型能夠模擬某些典型生物材料的微觀力學(xué)行為，但無法揭示其更小尺度的斷裂破壞機(jī)理［52-54］.

3 仿生柔性軀干防護(hù)裝具的研究進(jìn)展

針對不同的危險(xiǎn)等級，防護(hù)裝具的性能常用兩種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)，分別為我國《軍用防彈衣安全技術(shù)性能要求》（GJB 4300A―2012）標(biāo)準(zhǔn)和國際上通常采用的BallisticResistance of BodyArmor（NIJ Standard―0101.06）標(biāo)準(zhǔn).我國標(biāo)準(zhǔn)采用3 個(gè)防護(hù)等級：第Ⅰ和第Ⅱ級為防破片和手槍彈侵徹，第Ⅲ級為防穿甲燃燒彈.NIJ 標(biāo)準(zhǔn)采用5 級防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，最高等級為防穿甲燃燒彈.防護(hù)裝具防彈性能指標(biāo)主要評價(jià)其抗侵徹性能和凹陷深度大小.圖13 為現(xiàn)代防護(hù)裝具的分類以及人體各部位適用的防護(hù)裝具類型.軟質(zhì)防護(hù)裝具擁有較好柔性，但防護(hù)性能較差；硬質(zhì)防護(hù)裝具的防護(hù)能力更好，但是無法變形.新型防護(hù)裝具應(yīng)兼?zhèn)淞己玫娜犴g性和防彈性能［55］.

圖13 防護(hù)裝具分類［55］Fig.13 Classification of protective equipments［55］

國內(nèi)外研究學(xué)者對天然仿生防護(hù)體系的力學(xué)原理和優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行了研究，采用仿生原理將鱗片盔甲設(shè)計(jì)逐步應(yīng)用至現(xiàn)代防護(hù)裝具.尖峰裝甲公司開發(fā)的柔性防護(hù)裝具“Dragon Skin”［56］由芳綸纖維布與鱗狀圓形陶瓷組成（圖14）.美國陸軍和尖峰裝甲公司對于Dragon Skin 的防護(hù)性能持有不同意見.仿生防護(hù)裝具是一個(gè)令人感興趣的領(lǐng)域，它將對個(gè)體防護(hù)的綜合表現(xiàn)產(chǎn)生重要影響.通過采取有效的研究手段，可以更好地理解自然界中典型生物的防護(hù)機(jī)制，從而啟發(fā)人們研發(fā)出高性能的防護(hù)裝具.表1列出了各類仿生盔甲的研究現(xiàn)狀.

表1 各類仿生盔甲的研究現(xiàn)狀Tab.1 Research status of various biomimetic armors

圖14 龍鱗甲防護(hù)盔甲［56］Fig.14 Dragon Skin protective armor ［56］

Miranda 等［57］采用模擬破片對Al2O3仿生鱗片進(jìn)行抗侵徹分析，評估鱗片幾何尺寸和侵徹條件（破片直徑、初速度和侵徹位置）對仿生鱗片的損傷程度和破片殘余速度的影響.研究表明，破片侵徹鱗片邊緣時(shí)的破壞效果要比侵徹鱗片中心位置明顯.對多種形狀的仿生鱗片模擬結(jié)果進(jìn)行分析比較，六邊形仿生鱗片具備最佳防護(hù)性能.Hu 等［58］選用穿甲彈對SiC/UHMWPE 復(fù)合防護(hù)裝甲系統(tǒng)進(jìn)行防彈性能試驗(yàn)，闡述了SiC 和UHMWPE 復(fù)合裝甲的抗侵徹過程及機(jī)理.試驗(yàn)結(jié)果表明，UHMWPE 層可以為SiC面板提供良好的緩沖作用，SiC 陶瓷幾何尺寸對防護(hù)裝甲的防彈性能產(chǎn)生較大的影響.Connors 等［59］基于石鱉外殼生物裝甲的防護(hù)原理，系統(tǒng)研究了石鱉外殼的材料組成、力學(xué)性質(zhì)和三維幾何結(jié)構(gòu)等.建立了仿生防護(hù)裝甲有限元模型，并利用3D 打印技術(shù)制備了防護(hù)裝甲樣件，評估了其防護(hù)性能和柔韌性.Zhang等［60］基于硬骨魚鱗片的雙層結(jié)構(gòu)（高礦化骨層和膠原纖維層）及其疊加模式，設(shè)計(jì)一種新型防護(hù)裝具.新型防護(hù)裝具采用具有超高分子量聚乙烯基層的硬質(zhì)陶瓷層，通過彈道沖擊試驗(yàn)與數(shù)值分析模擬，研究鱗片重疊角度、摩擦系數(shù)、凱夫拉纖維布層數(shù)以及防彈陶瓷種類對防護(hù)性能的影響.結(jié)果表明，試驗(yàn)與數(shù)值模擬吻合度較高，該新型防護(hù)裝具具有優(yōu)異的防護(hù)性能.其防護(hù)性能隨鱗片重疊角度的增大而增大，鱗片最優(yōu)重疊角度為80°；鱗片間的摩擦系數(shù)和墊層的凱夫拉纖維布層數(shù)對裝具抗侵徹性能的影響較小.

目前，仿生柔性軀干防護(hù)裝具的研發(fā)仍處于發(fā)展階段，朱德舉等［61］借鑒工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本單元的思想提出柔性結(jié)構(gòu)仿生元素理念，發(fā)現(xiàn)仿魚鱗功能梯度板具有柔韌性及剛度軟化特性，并闡述了仿生柔性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，包括模仿設(shè)計(jì)、組合設(shè)計(jì)以及選擇匹配設(shè)計(jì).朱德舉等［62］借鑒犰狳鱗片的排列方式，采用六邊形復(fù)合鱗片（SiC/UHMWPE）制備了柔性防護(hù)插板，如圖15 所示.采用手槍彈（鉛芯和鋼芯）進(jìn)行彈道試驗(yàn)，結(jié)果表明該新型柔性防彈插板可以有效抵擋手槍彈，并具備較好的柔性.受魚鱗片的啟發(fā)，基于仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，朱德舉等［63-66］設(shè)計(jì)制備出魚鱗片狀軀干防護(hù)裝具，如圖16 所示.仿生鱗片呈現(xiàn)圓形結(jié)構(gòu)，中間凸起呈餅狀，鱗片的外層為硬質(zhì)SiC 陶瓷，內(nèi)層采用軟質(zhì)超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維，發(fā)現(xiàn)仿生鱗片的最優(yōu)覆蓋角度為80°，最優(yōu)圓弧半徑為289.5 mm，防護(hù)裝具可有效抵御破片侵徹［64］.為滿足更高防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，基于仿魚鱗片設(shè)計(jì)方法，分別采用SiC 與Al2O3陶瓷制備復(fù)合鱗片并進(jìn)行手槍彈［65］和穿甲燃燒彈侵徹實(shí)驗(yàn)［66］.分析陶瓷材料、覆蓋角度以及子彈侵徹位置對其防彈性能的影響.結(jié)果表明，新型防護(hù)裝具可以有效抵擋手槍彈的侵徹，覆蓋角度與陶瓷破壞區(qū)域范圍成正比.

圖15 仿犰狳盔甲柔性防護(hù)插板［62］Fig.15 Flexible protective insert plate inspired by armadillo body armor ［62］

圖16 仿魚鱗片的柔性軀干防護(hù)裝具設(shè)計(jì)［62-66］Fig.16 Design of flexible torso protective gear inspired by fish scale［62-66］

朱德舉等［66］采用ANSYS 有限元軟件建立了不同曲度的防護(hù)裝具模型，并模擬了穿甲彈的侵徹過程，如圖17 所示.分析了該柔性防護(hù)裝具的變形、應(yīng)力傳遞規(guī)律和能量耗散，重點(diǎn)討論了鱗片支撐點(diǎn)數(shù)量、鱗片曲率半徑以及覆蓋角度對其防護(hù)性能的影響.結(jié)果表明，支撐點(diǎn)數(shù)量顯著影響柔性防護(hù)裝具的防彈性能；鱗片的覆蓋角度與裝具防護(hù)能力呈正相關(guān)；在多發(fā)子彈侵徹時(shí)，由于鱗片的滑移與偏轉(zhuǎn)，其防護(hù)能力逐漸降低.Huang 等［67］開展了仿人骨裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu)的建模分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研制出了“軟-硬-軟-硬”模式的裝甲.在高速彈道沖擊荷載下，仿人骨結(jié)構(gòu)的裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu)材料具有有效減少沖擊載荷傳遞等方面的優(yōu)勢.

圖17 SiC-UHMWPE防彈插板的有限元模型［66］Fig.17 Finite element models of SiC-UHMWPE bullet-proof inserts［66］

綜上所述，基于生物盔甲所設(shè)計(jì)制備的仿生防護(hù)裝具設(shè)計(jì)優(yōu)化及防彈性能表明：仿生鱗片盔甲設(shè)計(jì)是防護(hù)裝具兼具柔性與防護(hù)性能的重要前提.仿生防護(hù)裝具的性能主要取決于所選用的組成材料，而柔韌性更多取決于組成結(jié)構(gòu)（比如，排列疊加模式等）.

4 結(jié)束語

仿生柔性防護(hù)裝具摒棄了傳統(tǒng)防護(hù)裝甲重量大、不易變形等缺點(diǎn)，突破了防護(hù)裝甲柔韌性與防護(hù)性能不能兼顧的弊端，進(jìn)一步推動了現(xiàn)代防護(hù)裝具相關(guān)技術(shù)的發(fā)展.基于對仿生防護(hù)裝具研究進(jìn)展的梳理歸納，主要結(jié)論和展望如下：

1）生物鱗甲結(jié)構(gòu)可以兼顧軟、硬兩種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，形成靈活可變形的柔性防護(hù)結(jié)構(gòu).典型生物材料的多級結(jié)構(gòu)和能量耗散防護(hù)機(jī)制，為柔性防護(hù)裝具的設(shè)計(jì)提供了新思路.

2）通過改變防護(hù)裝具的鱗片材料或者幾何形狀和排列方式，在拓?fù)浠ユi效應(yīng)下，可通過鱗片間的相互作用來提高鱗片的穩(wěn)定性與裝具的抗沖擊性能.仿生防護(hù)裝具的性能主要取決于其組成材料和結(jié)構(gòu)，而柔韌性更多取決于其鱗片狀結(jié)構(gòu)的排列模式.模塊化仿生盔甲設(shè)計(jì)方法使防護(hù)裝具同時(shí)具有優(yōu)異的防護(hù)性能與柔韌性成為可能.

3）仿生材料與盔甲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可大幅度提升防護(hù)裝具的性能和柔性.將生物梯度材料設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到仿生盔甲結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升仿生防護(hù)裝具的綜合性能仍是亟待研究的重要內(nèi)容.

4）目前對仿生防護(hù)裝具的設(shè)計(jì)制備方法以及損傷機(jī)理有了較多的研究，但是仿生防護(hù)裝具的性能還遠(yuǎn)沒有到達(dá)實(shí)用要求，尤其是如何有效降低人體的鈍挫傷，仍亟待解決.仿生防護(hù)插板可以有效保護(hù)人體軀干部分，但是四肢部位仍缺乏有效防護(hù)，針對全身防護(hù)裝具的設(shè)計(jì)與集成的仿生研究亟待開展.

5）目前仿生防護(hù)裝具的應(yīng)用主要集中于單兵防護(hù)領(lǐng)域，防護(hù)裝具應(yīng)對新型武器、惡劣環(huán)境等具備較好的防護(hù)功能和適應(yīng)性.防護(hù)裝具應(yīng)向多功能化、集成化發(fā)展，盡可能阻擋各種威脅和傷害.傳統(tǒng)防護(hù)裝具朝著舒適化、人性化、高性能和智能化等方向發(fā)展勢在必行，讓防護(hù)裝具在實(shí)踐中充分發(fā)揮效能，不斷提高作戰(zhàn)人員的綜合效能.