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从柚子皮中获得灵感,宝马研发出创新材料用于安全防护 |
2017年07月26日09:07 纺织导报
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一颗柚子能够带来怎样的启迪?近期,宝马研究人员及其合作伙伴给出了答案。宝马集团主导的仿生学研究项目BISS(Bio-Inspired Safety Syste)取得新成果。研究人员花费3年时间,从大自然获得灵感,研制出更轻便、更坚韧、更稳定的新型材料,其保护性能提升了20%,可用于制造防护服、头盔等保护装置。


仿生灵感:提升防撞、防冲击和减震性能

仿生学是研究生物系统的结构和性质,为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。宝马在车辆设计、新材料研发和应用上向大自然汲取灵感,在汽车设计和材料选择等方面进行了诸多创新,如借鉴马的骨骼结构,研制出轻质的车身结构;模拟海豚和企鹅的身材,打造BMW H2R氢燃料概念车的流线外型,实现了极低的风阻系数等。


这一次,宝马研究人员把目光投向了柚子,他们注意到,柚子即使从高处坠落也不会摔裂,果肉也几乎不会受到损伤。这是因为呈蜂窝状的柚子皮具有很好的抗冲击性,而且本身自重很轻,相当于自带减震效果。除了柚子,鱼类和爬行动物的鳞片也引起了研究人员的兴趣,层层交叠排列的鳞片可以将外力分散至周围的鳞片,因此异常坚固,可以起到很好的保护作用。

以上生物模型所特有的保护特性本质上由其分层设计决定。柚子皮的结构在材料学中被称为“拉胀材料”。这种材料应对压力的方式与传统材料完全不同:在压力点之下,传统材料会塌陷和变薄,而“拉胀材料”则会更快地压缩和硬化。所以这种材料在拉伸时实际上变得更厚,而不是更薄。




在BISS项目中,研究人员根据“拉胀材料”的原理结构,改进了目前纤维复合材料中的分层结构和纤维走向,生产出具有卓越保护效果的新材料,开创性地将防撞、防冲击和减震性能等功能结合起来。目前研究结果已经超出预期,新材料比目前常用的材料更轻、更坚固、更稳定,性能提升高达20%。这种创新材料能够以经济的方式进行生产和加工,具备很好的工业生产应用前景。

创新仿生学材料的应用前景广泛

这种创新仿生学材料未来可以应用于很多领域,以宝马集团为例,这种新材料将制成更符合人体工程学原理的手套和防护服,更好地保护总装线上的工人免受尖锐车身部件的伤害。新材料的轻质和透气则可以让工人活动自如。此外,宝马摩托车的头盔未来也有望采用这种材料,用新材料制成的头盔重量比市场上的传统产品要轻便许多,却可以提供相同等级的保护。


新材料的应用范围还不仅于此,参与此研究项目的体育用品制造商也从中看到了巨大潜力。未来,这种新材料还可以用于篮球和足球运动员的防护服,滑雪和自行车运动的头盔和更多保护性的运动装备。

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