冲击无处不在，对人体健康和生产安全都构成一定威胁。许多缓冲材料利用非弹性机制来耗散冲击能量，如塑性变形、断裂和不稳定弹性屈曲。然而，这种方法大多是以牺牲其结构为代价的，而且这些防护材料不能重复使用。

       吉林大学任露泉院士团队一种集成仿生策略，并在此策略的基础上开发出具有高缓冲性能的仿生结构复合材料。这一研究表明，S型蜘蛛状泡沫网仿生材料具有优异的储能、耗散和缓冲性能。在冲击载荷下，S型蜘蛛状泡沫网可以将峰值冲击力降低到硅胶泡沫的3.5倍，实现了前所未有的缓冲性能。研究结果加深了对柔性缓冲材料的理解，并可能为制备新的高性能柔性缓冲材料提供策略和灵感。

              图1 仿生设计依据

       蛛网结构可以在空气中耗散高达70%的动态冲击能量；乌贼骨头的S型结构可以在深海中有效吸收能量。在植物世界中，柚子皮的多孔结构可以耗散高达98 J的冲击能量，并且具有出色的缓冲性能，可以有效地保护柚子果实。受墨鱼骨的S型结构、蜘蛛网结构和柚子皮的多孔材料的启发，研究将这三种结构材料整合到一个仿生设计中。

图2 仿生结构设计原理    

       研究者对墨鱼骨的结构进行了表发现墨鱼骨具有弯曲的s形结构，如图3所示。研究将其作为本研究中的生物原型之一。根据之前的研究，蜘蛛网具有多边形的网状结构。研究考虑了正六边形的网结构，并将其作为本研究的第二种仿生结构。柚子皮通过扫描电子显微进行观发现了之前研究发现的多孔结构。同时，研究在哑铃形状的试样中对其力学性能进行了表征。拉伸载荷下的应力-应变曲线显示出不显著的非线性。        

图3 生物原型的结构表征和力学性能测试

       为了将集成仿生结构进行比较，研究采用了对比实验。对比结构要么没有蜘蛛网结构，要么没有模仿墨鱼骨头的s形边缘。有三种情况用于填充腹膜腔: 1.PU泡沫；2.Ecoflex凝胶(一种柔软和良好的缓冲，3.没有填充。因此，制备了9种不同结构的复合材料，均具有相同的体积。    

图4 仿生结构复合材料

       采用压力对9种结构复合材料、凝胶、PU泡沫进行了压缩载荷下的试验，试验结果如图5所示。使用Abaqu进行有限元模拟如图6。

       图5 仿生结构复合材料的力学性能测试

图6仿生结构复合材料的FE结果 

       缓存性能的理论分析结果如图7，这表明，仿柚子皮的多孔泡沫结构可以改善仿生结构复合材料的缓冲性能。将PU多孔泡沫与s型蜘蛛网状结构结合形成一体化仿生材料s蜘蛛网状泡沫时，峰值冲击力最小。这表明S型蜘蛛网结构和多孔泡沫是耦合的，在受到冲击或压缩载荷时，它们共同作用，达到良好的吸能效果。

  图7仿生结构复合材料缓冲性能的理论分析结果

       研究为了展示集成仿生材料在人体足部保护领域的潜在应用，我们将集成仿生材料嵌入到拖鞋的鞋跟中，并进行了行走测试。结果表明在正常速度下行走时与赤脚行走和穿着常规鞋垫相比，穿着仿生鞋垫时的冲击力最小。研究为了评估综合仿生材料保护易碎品的性能进行了鸡蛋掉落试验。当鸡蛋落在s型蜘蛛网泡沫上时，鸡蛋没有损坏，而当鸡蛋落在硅胶泡沫上时，鸡蛋破裂。             图8集成仿生结构复合材料应用演示

图9鸡蛋掉落实验

结论

     研究提出了一种集成仿生策略，并在此策略的基础上设计了具有高效缓冲性能的仿生结构复合材料。柔性材料是一种具有s形蜘蛛网结构的多孔材料的复合材料，采用模塑法制备。这种复合材料结合了墨鱼骨的s形结构、蜘蛛网的结构和柚子皮的多孔结构。它具有非常高效的缓冲性能。在相同的冲击速度下，与已有报道的6种缓冲性能优异的材料(硅胶泡沫、PU泡沫、凝胶、硅胶(0A)、EPDM泡沫、EPE泡沫)相比，s蜘蛛网泡沫一体化仿生材料的峰值冲击力最小，缓冲性能最好。此外，与硅酮泡沫相比，s蜘蛛泡沫可以将峰值冲击力降低3.5倍。这种集成仿生材料在电子设备的保护、包装运输、鞋垫等方面有着广泛的应用前景。

文章信息：

Title:  Bioinspired Structural Composite Flexible Material with High Cushion Performance

Authors: Zhiqiang Zhuang, Zhihui Qian, Xu Wang, Xiaolin Xu, Boya Chen, Guangsheng Song, Xiangyu Liu, Lei Ren, and Luquan Ren

Journal: Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202304947