源自甲蟲翅膀的新材料進展

許多現代創新都可以追溯到對我們周圍自然世界的適應，但將自然界的原理應用到現實世界中并不完全是一回事。維可牢尼龍搭扣來自植物的毛刺，風力渦輪機基于鯨魚鰭，夜間幫助我們導航的道路反射鏡可以追溯到貓眼的反射特性。

圖 1太陽甲蟲

最近，工程師們將注意力轉向了太陽甲蟲（Pachnoda marginata）獨特的鐘形翅膀結構。由于其有兩個可區分的層——鐘形的上層和幾乎筆直的下層——翅膀在拉伸和向上彎曲時很堅硬，但在壓縮和向下彎曲時很靈活。（圖 1）

這一關于甲蟲后翅膜在飛行過程中如何變形的發現，使倫敦南岸大學工程學院能夠開發出一種單向鉸鏈設計，該設計在相當大的尺寸范圍內具有仿生適用性。仿生材料是復制自然生物物體的合成材料。由于它們是人造的，這些材料設計需要測試。

新型鉸鏈設計起飛

受昆蟲啟發的鉸鏈概念正在許多行業中進行探索，包括可以輕松組裝和拆卸的模塊化設計、自適應無氣輪胎的設計以及泊松比為零的超材料，其中材料的壓縮行為由接頭控制，因為材料不會因軸向應變而橫向變形。

該大學工程學院機械工程與設計講師 Hamed Rajabi 解釋說：“通過在計算模型中系統地改變其設計參數，我們表明雙層膜鉸鏈的特性可以在很寬的范圍內進行調整。這使我們能夠開發出廣闊的設計空間，我們后來將其用于模型選擇。”

“我們在三個不同的應用中使用了選定的模型，這證明了雙層鉸鏈是一種簡單而有效的設計策略，可以使用單一材料控制結構的機械響應，而無需額外的質量。”（圖 2）

圖 2 基于模型的設計表明，雙層膜鉸鏈特性可在廣泛范圍內進行調整，以便在廣泛的設計空間中進行應用開發

工程新材料

為了確保這些基于模型的各種場景具有實際適用性，Rajabi 采用了配備 Tinius Olsen 500N 稱重傳感器的萬能試驗機 (UTM)，不僅可以執行所需的拉伸和壓縮測試，還可以與 Hamed 及其團隊開發的定制設置結合使用。

堅固的 1ST 配備各種不同容量的稱重傳感器，可提供精確的施加負載測量，專為材料和組件的拉伸、壓縮、彎曲和剪切強度測試而設計。它可以處理從最小的測試樣本到滿負荷機器的場景。

“Tinius Olsen 對這個項目的支持令人難以置信。在選擇正確的測試機、稱重傳感器和配件方面提供的全面幫助和支持非常寶貴。他們的支持人員隨時可以回答我們的任何問題，全天指導 1ST 和 Horizo??n 軟件特別有幫助，并開發了我們需要的所有測試協議。如果沒有公司的投入，我們肯定不會取得這項研究的成果，”Rajabi 指出。

對于模塊化設計，雙層膜鉸鏈進行了三點彎曲測試，并在兩個相反方向上以 1 毫米/秒的恒定速度受到 10 毫米的位移。

無氣輪胎和超材料都進行了壓縮測試，無氣輪胎設計在兩個平板之間以 1 毫米/秒的恒定速度受到 20 毫米的位移，而超材料在兩個平板之間以 1 毫米/秒的增量位移受到最大約 500N 的力。（圖 3）。

圖 3事實證明，設計的材料測試對于確保工程概念的安全性、可靠性和有效性至關重要

適當的測試場景

壓縮測試測量材料在承受壓縮載荷時的基本變量，包括應力、應變和變形，以幫助確定該材料的行為或響應。目標是確定材料是否適用于特定應用，或者在特定應力下是否會失效。

拉伸強度是材料斷裂或永久變形時的應力，在測試結構應用或機械設計中使用的材料時很常見。通常，夾緊的樣品會受到恒定速率的拉伸載荷，使其拉伸并最終斷裂。

在設計將要推向市場的新材料時，這些是確保可靠性和安全性以及提高成本效率的關鍵參數。了解初始新概念的預期結果將有助于工程師進一步進行產品開發和技術創新。

Rajabi 解釋說：“這種生物單向鉸鏈為設計和開發工程結構提供了生物識別靈感，這些結構對施加在不同方向上的相等力表現出不對稱響應。這尤其有趣，因為雙層膜提供了一種簡單、廉價的方法來制造單向鉸鏈，而不會增加質量。”

但這個鼓舞人心的概念能在現實世界中實現嗎？使用 Tinius Olsen 材料測試系統獲得的數據和見解不僅可以幫助工程師了解新設計材料的局限性，還可以幫助他們了解新設計材料的可能性。結果使新創新得以進一步應用，例如鉸鏈甲蟲翼的情況。

“在這個特定例子中，鉸鏈是雙層膜類型，它依賴于可逆薄板屈曲。通過真實規模的計算模擬和放大的物理建模，證實了這種雙層膜可以充當單向鉸鏈。”

材料測試加強創新

我們的現代世界依靠通過創新實現的工程技術運行，但長期以來，人們一直依靠材料測試來實現這些概念。實現超越假設的設計進步需要可靠的分析和經過驗證的測試方法，以確保產品的可靠性、消費者安全和長期收益。