Motiven för att använda biologi som inspiration till ingenjörskonst varierar beroende på projektet, men för Ling Li, biträdande professor i maskinteknik vid Tekniska Högskolan, kombinationen av flexibilitet och skydd som sågs i chitonmollusken var all nödvändig motivation.

"Systemet vi har utvecklat är baserat på chiton, som har ett unikt biologiskt pansarsystem, " sa Li. "De flesta mollusker har ett enda styvt skal, såsom abalonen, eller två skal, såsom musslor.

Men chitonen har åtta mineraliserade plattor som täcker toppen av varelsen och runt basen har den en gördel av mycket små fjäll sammansatta som fiskfjäll, som ger både flexibilitet och skydd."

Lis arbete, som fanns med i tidningen Naturkommunikation 10 december, är resultatet av ett samarbete med forskare från olika institutioner, inklusive Massachusetts Institute of Technology, Dana-Farber Cancer Institute vid Harvard Medical School, California State University, Fullerton, Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, Tyskland, och Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard University.

Eftersom den mekaniska utformningen av chitonens gördelfjäll inte hade studerats på djupet tidigare, teamet av forskare behövde börja med grundläggande material och mekanisk analys med blötdjuret innan de använde den informationen som bioinspiration för den tekniska forskningen.

"Vi studerade detta biologiska material på ett mycket detaljerat sätt. Vi kvantifierade dess interna mikrostruktur, kemisk sammansättning, nano-mekaniska egenskaper, och tredimensionell geometri. Vi studerade de geometriska variationerna av skalorna över flera chitonarter, och vi undersökte också hur skalorna sätts ihop genom 3-D tomografianalys, " sa Li.

Teamet utvecklade sedan en parametrisk 3D-modelleringsmetod för att efterlikna geometrin hos individuella skalor. De monterade individuella skalenheter på antingen plana eller böjda underlag, där vågens storlekar, orienteringar, och geometrier kan också varieras, och använde 3-D-utskrift för att tillverka de bioinspirerade pansarmodellerna.

"Vi producerade den chitonskala-inspirerade vågenheten direkt med 3D multi-material utskrift, som består av mycket styva fjäll ovanpå ett flexibelt underlag, " Li förklarade. Med dessa fysiska prototyper av kontrollerade geometrier och storlekar, teamet genomförde direkta mekaniska tester på dem med kontrollerade belastningsförhållanden. Detta gjorde det möjligt för forskarna att förstå mekanismerna bakom den dubbla skyddsflexibiliteten hos det biologiska pansarsystemet.

Sättet som vågrustningen fungerar är att när den är i kontakt med en styrka, fjällen konvergerar inåt mot varandra för att bilda en solid barriär. När den inte är under våld, de kan "röra" sig ovanpå varandra för att ge varierande mängder flexibilitet beroende på deras form och placering.

"Styrkan kommer från hur vågen är organiserad, från deras geometri, " sa Li. "Rezas [Mirzaeifar, biträdande professor i maskinteknik] har gjort ett fantastiskt jobb genom att använda beräkningsmodellering för att ytterligare avslöja hur skalpansaret blir sammanlåst och styvt när den externa belastningen når ett kritiskt värde."

Utformningen av platsspecifik rustning tar hänsyn till storleken på skalorna som används. Mindre skalor, som de runt kitons gördel, är mer användbara för regioner som kräver maximal flexibilitet, medan större skalor används för områden som kräver mer skydd. "Att jobba med Reza, vårt nästa steg är att utöka utrymmet så att vi kan designa skräddarsydda rustningar för olika kroppsplatser.

Bröstens flexibilitet kontra skyddsbehov, till exempel, kommer att vara annorlunda än för armbågen eller knäet, så vi skulle behöva designa skalaggregatet i enlighet därmed vad gäller skalgeometri, storlek, orientering, etc."

Arbetet som presenterades började med finansiering från försvarsdepartementet när Li var en forskarassistent vid Massachusetts Institute of Technology. Sedan han kom till Virginia Tech 2017, arbetet har fortsatt utan sponsring som en del av hans startfinansiering.

"Vi började med en ganska ren motivation - att leta efter multifunktionella biologiska material, ", sa Li. "Vi ville integrera flexibilitet och skydd och det är väldigt svårt att uppnå med syntetiska system. Vi kommer att fortsätta med vår forskning för att utforska designutrymmet bortom det ursprungliga biologiska modellsystemet och genomföra tester under olika belastningsförhållanden."

Li erkänner processen, som har tagit flera år, är lång, men arbetet är unikt i hur de har närmat sig det från början som en tvåstegsprocess i att genomföra den grundläggande biologiska materialforskningen följt av den bioinspirerade forskningen.

"Att ha den nivån av förtrogenhet med ämnet har varit mycket användbart för designen och modelleringen av rustningen, " sa Li. "Jag tror att den här typen av bioinspirerad rustning kommer att representera en betydande förbättring av vad som finns tillgängligt för närvarande."