从神奇动物身上寻宝 | 王彬
这些天然的生物材料在别人看来仅仅是有趣，而对于我这种带着材料分析眼镜的人来说，研究它们的结构性能机理是一个真正的寻宝之旅。
”王彬
中国科学院深圳先进技术研究院副研究员
寻秘穿山甲鳞片
大家好，很高兴也非常荣幸在SELF讲坛和大家分享到大自然寻宝的故事。
首先，我们来看一个很熟悉的动物——穿山甲。
穿山甲
在自然界中，穿山甲的鳞片可以非常有效地保护它免受狮子的啃咬、抓挠，是良好的、天然的防弹衣，那么这些鳞片是如何提供这样的防护性能的呢？
穿山甲鳞片的保护作用
英国导游Mark Sheridan 摄于坦桑尼亚
(https://www.dailymail.co.uk/news/article-1335853/Lions-try-chew-armour-plated-Pangolin-Selous-Game-Reserve-Tanzania.html)
我们对单个鳞片进行结构性能的研究，发现鳞片是层级结构，具有微米级的相交片层，纳米级的互锁界面，以及纤维丝嵌于基体的结构，这样的结构使得鳞片能够在各个方向上抵御外界作用力的袭击。另外鳞片的叠覆方式使得体表上各处都是由三层鳞片覆盖，充分提供了防护性能。
穿山甲鳞片结构性能机理
这样的结构性能机理可以用来制备用于人体的防护衣，例如军用的防弹衣。早在1820年，一件由镀金穿山甲鳞片做成的防护衣就进贡给了英国国王乔治三世。
穿山甲鳞片仿生应用
所以，作为仿生材料的研究者，我的主要工作是从天然生物材料中寻找出结构性能机理，进而用于指导仿生新材料的研发，实现某种特定功能或提高已有的性能。所以，我看周围世界的眼光可能会不太一样，我会带着材料分析的眼光去看。
解密羽毛
例如，在美丽的海边，大家都在享受阳光、沙滩和海浪，而我的关注点却在于寻找各种海鸟的羽毛。
寻找海鸟羽毛
为什么要收集羽毛呢？读博士期间，学校就在海边，我经常能看到海鸥翱翔天际，当时我就在想，作为一种材料，鸟的羽毛是如何助力飞行的呢？
飞鸟羽毛中间的那根杆叫做羽轴，在飞行中提供主要的力学支撑，它的质量、抗弯曲性能、抗扭转性能以及变形性都是非常重要的性能。
于是我开始收集海鸥、乌鸦、秃鹰、鹈鹕、孔雀甚至家养鸡的羽毛羽轴进行研究。
我发现一个非常有趣的点。对于羽轴，从根部到末端，它的横截面呈现出由圆到方的这种性状特点。
海鸥羽毛羽轴
是不是所有的羽毛羽轴都是这样呢？不一定。比如，跑得比较快、但是又不会飞的鸵鸟，它的羽毛羽轴近似于椭圆形的形状。
鸵鸟羽毛羽轴
对飞鸟的羽毛羽轴这种由圆变方的性状建立模型，通过3D打印和理论推导，我发现这种由圆变方的结构可以显著提高羽轴从基部到末端单位质量的抗弯曲性能，这样能够在减轻质量的同时，避免受力过度而变形。
飞鸟羽毛羽轴模型
第二方面，羽轴的结构沿轴向是复杂变化的。从根部到末端，它的纤维取向是由轴向纤维被环向纤维覆盖，逐渐变化为纵向纤维和相交纤维。
羽轴的结构沿轴向复杂变化
这种纤维结构能够使得从根部到末端，单位质量的抗弯曲性能和抗扭转性能得到提高。同时还能够允许一定程度的弯曲变形。
飞鸟羽毛羽轴结构模型
第三方面，羽轴的夹层结构，即外层固体壳包内部多孔的结构也是非常给力的。
通过实验和理论分析，我发现羽轴末端单位质量的平均抗弯强度和抗弯刚度是根部的两到三倍，这是对羽毛结构和力学性能的新的认知，在此之前还没有从这方面进行的研究和报道。
羽轴的夹层结构及相关研究
对于羽毛羽轴这三方面的结构研究，不仅从科学的角度解释了为什么它具有这样的性状，以及如何通过它的这种纤维微观结构来满足飞行中对力学性能的要求，还使我更深层次地去理解大自然造物的神奇之处。
这一研究也对航空用先进复合材料提供了非常有价值的启示，促进了我们实现对材料轻质、高强韧的追求。所以仿生材料研究非常有趣、有用。
大自然呈现的生物材料对我来说都有其使命，能实现其特定的功能。我的使命是探索并阐明天然生物材料实现其特定功能的科学原理，提取出关键的结构性因素，用于指导新材料的研发，响应各个领域对功能材料的需求。例如刚才说到的航空领域对轻质高强韧材料的需求，以及医疗领域对生物活性材料的需求。
亚马逊寻宝
每研究一个生物材料对我来说都是一个寻宝的过程，虽然大部分时间我都在实验室或者处理数据，但既然是寻宝，总会有跌宕起伏、惊喜有趣的时光。
比如在我读博士的前两年，我的博士导师梅耶斯教授和其他人组队去亚马逊原始森林探险。出发前，他非常严肃地和我们说：“进了亚马逊就没有信号了，如果两个月之后我还没有回来，你们就各自找导师完成自己的博士课题。”
他在南美洲跟当地土著相处的还算融洽。期间，经过一个原始热带雨林时，导师遇到了各类动物，包括蚂蚁、黄蜂、蛇、蜘蛛、美洲豹等。
在原始热带雨林遇到了各种动物
经过各种折磨，加上一路披荆斩棘，导师和他的同伴变成了图中这般模样。
王彬的导师及同伴
比较幸运的是，他们捉到了一些食人鱼，不过测量这种食人鱼牙齿的咬合力时还是受了一些皮外伤。
测量食人鱼牙齿咬合力
（高危动作，请勿模仿！）
导师和同伴都活着回来了。我的导师本来已经70岁了，这样看起来好像又老了好几岁。
导师带回了几种有趣的天然生物材料，比如食人鱼，与食人鱼共生的能够抵御食人鱼牙齿的巨滑舌鱼的鳞片，巴西国鸟的喙，还有一些鳄鱼的鳞甲片等等。
从亚马逊带回的天然生物材料
探秘鲸须
在寻宝的征途中，一些不经意的小事也会触发意外的惊喜。有一次在导师家里的聚会上，导师开玩笑地说：“我的肚子太大了，需要弄一个Corset穿一下。”当时我问他什么是Corset？导师很兴奋地和我说，那是19世纪法国等欧洲国家非常流行的一种塑身衣，正版的塑身衣都是由鲸须做成的，柔韧、坚硬，还很美丽。
Corset（塑身衣）
导师看了看我说：“彬，你不需要Corset。”但看到鲸须Corset之后，我就下定了决心，我要鲸须。
为什么呢？鲸须来自体积最大的动物——须鲸，它的寿命长达上百年。这种鲸嘴里没有牙齿，而是长着几百个鲸须板，帮助它过滤摄食。就是把大量的海水、鱼虾等一起吞入口中，然后把海水排出去，把鱼虾留在嘴里作为食物。
鲸须帮助过滤摄食
须鲸的食量大，寿命长，需要它的鲸须能够长期承受海水的循环作用力而不发生断裂，这也意味着它的鲸须要具有非常优越的力学性能。我就想研究它的这个结构是如何实现这种力学性能的。
首先，我需要找到天然鲸须。但是对于鲸须的研究非常少，而且须鲸又是世界级保护动物，濒危动物，是重点的保护对象。我花了一年多的时间去联系各个博物馆、海洋世界、野生动物园，甚至艺术品展览馆，都没有找到，最后终于联系到了阿拉斯加一个当地的土著，一位爱斯基摩人。
阿拉斯加是世界上极少数可以合法捕鲸的地区，而且仅限于特定的11个港口，我联系的这个人他所在的地方就是这11个港口之一。
阿拉斯加是世界上极少数可以合法捕鲸的地区
阿拉斯加的当地人根据法律可以依法销售鲸须，前提是他们不能过度捕猎。很高兴我最终拿到两根两米多长的鲸须。当时跟我做实验的一名大三学生Christian也很兴奋，要求鲸须被切开做实验前，合影留念。
学生Christian与鲸须合影
这种鲸须主要包括鲸须板和鲸须毛，鲸须板的结构包括了鲸须毛的结构，而且又是主要的受力部位，所以我主要介绍一下鲸须板的结构和性能。
鲸须结构示意图
通过大量的结构分析，我发现鲸须具有宏观夹层，微观细管的结构，中间的细管层包含许多由圆环状片层形成的细管，细管的内部是中空的，纳米级又呈现出这种钙磷组分加微纤丝嵌于基体的结构。
从纳米级到微米级到宏观，鲸须在各个尺度层级上都有不同的结构特征，这叫多层级递阶结构，这也是绝大部分天然生物材料都有的特征。
鲸须具有多层级递阶结构
从最小尺度的埃米到纳米、微米，再到宏观，在各个层级尺度上，结构组元都形成不同的结构特征，最终在整体的材料上表现出优异的综合性能。比如刚才讲到的鲸须，它具有较高的抗弯强度，柔韧性也非常好。
天然生物材料多层级递阶结构示意图
另外一个比较有趣的点是鲸须的抗断裂性能。一般材料在使用过程中，不可避免会被刮擦，形成微小的裂纹。在外界作用力下，这些微小的裂纹会长大、扩展，最终导致材料的断裂失效。而鲸须能够抑制裂纹扩展，并且使裂纹转向进而不断裂。
鲸须的抗断裂性能
为了方便理解，我们可以把鲸须的细管层结构想象成一个个圆柱形的洋葱拼接而成，其中一个圆柱形洋葱就是一个细管，然后划一个小口表示微裂纹。
我们去掰它或者给它施加力，就会发现这个裂纹在第一个片层沿着它的圆周方向去扩展而不是向内部扩展，如果没有这种圆环状片层结构，它的裂纹就会直接向内部扩展，这样积攒几次以后，裂纹就会向内部长大，最终会引起材料的失效。
鲸须能够实现如此高的抗断裂能力，除了圆环状片层结构、片层内的纤维取向以外，还因为片层与片层之间的界面结合协同作用。
对鲸须关键性的结构因素，包括细管结构、软硬多相复合、夹层结构等，我们通过高精度的多材料3D打印，制备出一系列结构逐级复杂的模型，通过实验证实它的多层级递阶结构可以在变载速的情况下，对力学性能产生一些影响。
通过这些研究，我的目标是希望能够对海洋环境中复合材料的设计与制备提供先进的理论指导，在材料设计和制备过程中引入结构性的韧化机制，进而使得材料在使用过程中能够控制裂纹的萌生和发展。
这样的复合材料可以用于制备高速舰艇以及海洋波浪能发电设备的一些结构部件。这些地方的材料都是需要承受长期的海水循环作用力，和鲸须的受力情况很相似。
道法自然
除了这些之外我还研究了其他很有趣的生物材料，像食人鱼牙齿和巨滑舌鱼的鳞片，被称为植物象牙的Jarina植物的种子，棱皮海龟的龟壳，海马的骨骼等。
食人鱼牙齿和巨滑舌鱼鱼鳞
亚马逊森林的Jarina种子
这些天然的生物材料在别人看来仅仅是有趣，而对于我这种带着材料分析眼镜的人来说，研究它们的结构性能机理是一个真正的寻宝过程。
近年来，仿生材料的研究很快地发展成为国际前沿研究热点。实际上，早在公元前500多年，老子就提出了道法自然的思想，在西方国家，开普勒和爱因斯坦也曾强调大自然给予了人类最丰富、最有价值的启发。
仿生材料的研究不仅使我收获了用于指导研发新材料结构、性能、机理的基础理论，也影响着我看世界的眼睛和思考问题的头脑。在大自然面前我们都是很渺小的，我逐渐开始以敬佩、学习的潜意识去感受和研究大自然的杰作。
每样生物材料都有其独特的科学故事，这也一直吸引、激励着我不断去深入拓展我在天然生物和仿生材料方面的研究。
谢谢大家！
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