防彈衣、機器人、醫(yī)用護具......

眾多耳熟能詳?shù)漠a(chǎn)品都離不開：阻尼材料

阻尼材料，指能將固體機械振動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒌牟牧希Ｓ糜跍p少振動和降低噪音。

材料的阻尼性能通常與其高韌性密不可分。目前，水凝膠等軟材料的高韌性可以通過引入能量耗散機制來實現(xiàn)（如動態(tài)化學鍵），但是在高速飛行物的沖擊下，這類高韌性水凝膠仍然可能發(fā)生結構破壞。同時，通常由于極大地犧牲了材料的含水量等，造成材料的高模量、機械不匹配及柔性保護對象的結構破壞。至今，兼具高阻尼性、高含水量和高柔性的水凝膠阻尼器仍鮮有報道。

2023年10月20日，受蝗蟲腹板獨特的柔韌層狀結構啟發(fā)，基因組所梁翔禹課題組聯(lián)合大連理工大學劉田團隊在Cell子刊《細胞報告·物理科學（Cell Reports Physical Science）》上在線發(fā)表文章“Damping Chitin Hydrogels by Harnessing Insect Cuticles-inspired Hierarchical Structures”，報道了一種簡單、高效的仿生策略來設計并制造具有柔韌片層結構的水凝膠阻尼器。

團隊通過可調(diào)節(jié)的雙溶劑交換工藝實現(xiàn)對材料的自組裝速率、片層晶域尺度調(diào)節(jié)，進而形成規(guī)則的層狀微/納米結構。隨后，他們通過工藝改進，使用預先自組裝的纖維對片層結構進行加強，從而得到具有高抗沖擊（是常規(guī)商品化阻尼器性能的100倍）、高韌性（~2.1 kJ/m(3)）同時兼具高含水量（> 85 wt.%）和高柔性的水凝膠阻尼器（如圖1所示），用于對高速軟飛行物的保護。

圖1 | 仿昆蟲外骨骼的水凝膠阻尼器的仿生設計與制備，片層結構特征及優(yōu)異的綜合性能（高抗沖擊性、韌性、斷裂能、強度、模量和水含量）

為了驗證其動態(tài)抗沖擊性能，論文作者根據(jù)之前開發(fā)的高速子彈沖擊裝置，并采用高速攝像機系統(tǒng)捕捉子彈軌跡和速度測量（視頻1）。相對于傳統(tǒng)阻尼材料，仿昆蟲外骨骼阻尼水凝膠不僅有效地抵抗柔性PVA水凝膠子彈（15 m/s）的劇烈沖擊（如圖2、視頻2所示），還兼具保護柔性高速飛行物的功能；同時具有優(yōu)異的抗疲勞、高力學強度、韌性，以及高含水量、低成本、可完全生物降解等優(yōu)點，使其成為眾多應用場景中抵抗劇烈沖擊的新型軟材料，如醫(yī)療減震設備、柔性鎧甲和軟機器人等。此外，論文作者還系統(tǒng)地研究了這類水凝膠材料的多尺度微納結構、分子互作，揭示了抗沖擊水凝膠阻尼器的設計策略：沿片層及層間氫鍵的協(xié)同調(diào)控，實現(xiàn)沖擊能量的快速耗散。

視頻1|仿昆蟲外骨骼阻尼水凝膠抗水彈沖擊及對高速軟體飛行物的保護性

圖2| 仿昆蟲外骨骼水凝膠阻尼器的動態(tài)抗沖擊性和對柔性高速飛行物保護，以及高力學強度、斷裂功等

視頻2|商品化阻尼材料的抗沖擊性及對高速軟體飛行物的保護性

大連理工大學博士生原烽堠、張新星副教授為論文共同第一作者，大連理工大學劉田教授、基因組所梁翔禹研究員和楊青研究員為本文共同通訊作者。感謝大連理工大學王華楠教授和南方科技大學劉吉教授對本研究提供了支持。

該研究得到國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、湖南省自然科學基金、深圳市自然科學基金、深圳市博士后出站科研資助項目、大鵬區(qū)博士后出站科研資助項目和中國農(nóng)科院創(chuàng)新工程等項目資助。

原文鏈接：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(23)00467-8