从海马尾巴而来的灵感

　　

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师们发现，海马的尾巴可以压缩至一半大小来预防因遭受伤害而带来的永久性损伤。海马尾巴的特有柔韧性得益于它的构造——由骨、骨板构成，它们相互错开。研究人员希望使用类似的结构来创建一种具有柔韧性的由聚合肌肉组成的机械臂。这种机械臂可用于医疗救治、水下探测和无人拆弹项目。

“这一天然材料的研究可以衍生出一系列新型独一的材料和结构，这种来自大自然的灵感更强，更牢固，更轻也更灵活。”麦基特里克教授如此说道。

麦基特里克和梅耶斯通过测试多种动物的外壳来寻找生物灵感，包括犰狳、短吻鳄和各种鱼的鳞片。这次，他们专门寻找那种韧性十足的动物来开发机械手臂。

圣地亚哥分校雅各布学院的材料学博士生波特尔说：“尾巴是海马的生命线，因为它可以让其身体固定在珊瑚或是海藻中来躲避捕食者。但没人把海马的尾巴和骨头看做是护甲的灵感来源。”

大部分海马的天敌，包括海龟、蟹和鸟类，通过碾压制服海马。工程师们希望看到尾巴中的骨板是否可以起到护甲的保护作用。研究人员发现，海马的尾巴可以压缩至一半大小来预防因遭受伤害而带来的永久性损伤。这是由于尾部的骨板和尾部肌肉间的结缔组织在移位过程中承担了大部分的负载。甚至当尾巴被压缩达60%的程度时，海马的脊柱仍旧受到保护。

麦基特里克和梅耶斯的研究团队使用一种独特的技术，应用一系列化学材料来去除海马尾巴的蛋白质和矿物成分，以便更好地研究其结构和性质。他们发现骨板中的矿物质成分相对较低，只有40%，而牛骨中的矿物质含量有65%。骨板中还含有27%的有机化合物（主要是蛋白质）和33%的水。骨板的硬度是变化的，脊的部分是硬度最高的，因为会影响保护的力度，比骨板沟的部分坚硬40%（沟的部分多孔以吸收冲击力）。

海马的尾巴通常由36块类方段组成，每一段由4个L型骨块拼成，这些骨块沿着尾巴往下逐渐缩小。骨板可以自由滑动和旋转。滑动关节允许骨板间的来回滑动。旋转关节与球窝关节类似，有3个旋转自由度。这些骨板通过缔结组织胶原层连接到脊椎。骨板之间的关节和椎骨十分灵活，有将近6个自由度。

接下来就是要使用3D成像制造出人造的骨板，这将会与聚合物组合起到肌肉的作用。最后的任务就是造出一个机械手臂，这种机械臂将是独特的兼具硬度与韧性的混合机械设备。一个柔韧且强壮的机械臂可以被用于医疗救治、水下勘探以及无人拆弹。这种具保护性和柔韧性为一体的机械臂也能够握住各种不同形状大小的物体。

俞炯/编译