一顆柚子能夠帶來怎樣的啟迪?近期,寶馬研究人員及其合作伙伴給出了答案。寶馬集團主導的仿生學研究項目BISS(Bio-Inspired Safety System)取得新成果。研究人員花費三年時間,從大自然獲得靈感,研制出更輕便、更堅韌、更穩定的新型材料,其保護性能提升了20%,可用于制造防護服、頭盔等保護裝置。
靈感源于大自然,提升防撞、防沖擊和減震性能
仿生學是研究生物系統的結構和性質,為工程技術提供新的設計思想及工作原理的科學。仿生學對汽車的發展起到了巨大的推動作用。寶馬集團是這一領域的創新先鋒,在車輛設計、新材料研發和應用上向大自然汲取靈感,在汽車設計和材料選擇等方面不斷推動行業進步。寶馬的研究人員曾經借鑒馬的骨骼結構,研制出輕質的車身結構;也曾模擬海豚和企鵝的身材,打造BMWH2R氫燃料概念車的流線外型,實現了極低的風阻系數。
這一次,寶馬研究人員把目光投向了柚子,他們注意到,柚子即使從高處墜落也不會摔裂,果肉也幾乎不會受到損傷。這是因為呈蜂窩狀的柚子皮具有很好的抗沖擊性,而且本身自重很輕,相當于自帶減震效果。除了柚子,魚類和爬行動物的鱗片也引起了研究人員的興趣,層層交疊排列的鱗片可以將外力分散至周圍的鱗片,因此異常堅固,可以起到很好的保護作用。
以上生物模型所特有的保護特性本質上由其分層設計決定。柚子皮的結構在材料學中被稱為“拉脹材料”。這種材料應對壓力的方式與傳統材料完全不同:在壓力點之下,傳統材料會塌陷和變薄,而“拉脹材料”則會更快地壓縮和硬化。所以這種材料在拉伸時實際上變得更厚,而不是更薄。
在BISS項目中,研究人員根據“拉脹材料”的原理結構,改進了目前纖維復合材料中的分層結構和纖維走向,生產出具有卓越保護效果的新材料,開創性地將防撞、防沖擊和減震性能等功能結合起來。目前研究結果已經超出預期,新材料比目前常用的材料更輕、更堅固、更穩定,性能提升高達20%。這種創新材料能夠以經濟的方式進行生產和加工,具備很好的工業生產應用前景。
創新仿生學材料應用前景廣泛
這種創新仿生學材料未來可以應用于很多領域,以寶馬集團為例,這種新材料將制成更符合人體工程學原理的手套和防護服,更好地保護總裝線上的工人免受尖銳車身部件的傷害。新材料的輕質和透氣則可以讓工人活動自如。此外,寶馬摩托車的頭盔未來也有望采用這種材料,用新材料制成的頭盔重量比市場上的傳統產品要輕便許多,卻可以提供相同等級的保護。
新材料的應用范圍還不僅于此,參與此研究項目的體育用品制造商也從中看到了巨大潛力。未來,這種新材料還可以用于籃球和足球運動員的防護服,滑雪和自行車運動的頭盔和更多保護性的運動裝備。