供稿人:楊春成 李滌塵 發(fā)布日期：2017-10-21
2016年大年初一，由周星馳傾情導(dǎo)演的《美人魚》終于在萬眾矚目下上映了，其所譜寫的人魚愛情童話故事收獲了無數(shù)歡笑與感動(dòng)的淚水，一時(shí)間“美人魚”的造型紛紛出現(xiàn)在大街小巷中，深受追捧。但是，這些形形色色的“美人魚”們也只是徒有其表、名不符實(shí)，一到海底里估計(jì)也只能撲騰幾下，便了無生息了。所以，如何成為一只在海底自由遨游的“美人魚”呢，仿生多材料3D打印技術(shù)或許可以幫你忙。
來自美國克萊姆森大學(xué)與加拿大麥吉爾大學(xué)的研究人員專門對(duì)各種魚類的魚鱗甲的宏微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并采用3D打印技術(shù)來重現(xiàn)其結(jié)構(gòu)功能，如圖1：存在于大多數(shù)硬骨魚類的重疊鱗結(jié)構(gòu)（A），存在于雀鱔類以及多鰭魚的連鎖咬合鱗結(jié)構(gòu)（B），存在于鯊魚的疊瓦鱗結(jié)構(gòu)（C），存在于箱鲀類的嵌甲鱗結(jié)構(gòu)（D），以及存在于海馬類以及海龍類的鎖疊骨板鱗結(jié)構(gòu)（E）。
圖1 各種魚類魚鱗甲的宏微結(jié)構(gòu)
如圖2，一些研究人員用3D打印技術(shù)打印出了存在于大多數(shù)硬骨魚類的重疊鱗結(jié)構(gòu)的實(shí)際模型（A，B），并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這種重疊鱗結(jié)構(gòu)主要可以提高魚類的移動(dòng)性（D）以及抗穿刺能力（C，E，F(xiàn)），即使被尖銳的物品刺中，也可以通過形體的變形躲開嚴(yán)重的傷害，從而可以大大提高魚在海里的存活能力。
圖2 重疊鱗結(jié)構(gòu)可以提高魚類的移動(dòng)性以及抗穿刺能力
而存在于雀鱔類以及多鰭魚的連鎖咬合鱗結(jié)構(gòu)更加重視的是魚類的保護(hù)性與靈活性的結(jié)合，如圖3，其頭部收斂的連鎖咬合鱗結(jié)構(gòu)將提供極大的剛度，從而保護(hù)魚的頭部抵抗傷害以及穿過阻力的能力，而尾部逐漸放開的連鎖咬合鱗結(jié)構(gòu)將提供給魚很大的彎曲度以及靈活性（F）。
圖3 連鎖咬合鱗結(jié)構(gòu)是魚類的保護(hù)性與靈活性的結(jié)合
鯊魚是海洋里的殺手，也是海洋里游得最快的魚類之一，相關(guān)研究人員通過3D掃描和3D打印技術(shù)制造出3D打印鯊魚皮，從而發(fā)現(xiàn)了鯊魚魚鱗甲上特殊的疊瓦鱗結(jié)構(gòu)，如圖4（A，B，C，D），這種結(jié)構(gòu)在游動(dòng)時(shí)可以大大減少運(yùn)動(dòng)阻尼，提高游泳速度，并降低能量消耗。
圖4 疊瓦鱗結(jié)構(gòu)可以降低運(yùn)動(dòng)阻尼
存在于箱鲀類的嵌甲鱗結(jié)構(gòu)是一種具有高抗力的外結(jié)構(gòu)，研究人員通過3D打印出來的仿生結(jié)構(gòu)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，如圖5，其互相鑲嵌的齒狀結(jié)構(gòu)可以提供很好的強(qiáng)度、剛度以及韌性，從而最大限度地保護(hù)此類魚的內(nèi)部器官。
圖5 嵌甲鱗結(jié)構(gòu)可以最大限度地保護(hù)魚的內(nèi)部
而海馬的鎖疊骨板鱗結(jié)構(gòu)可以大大增加其尾部的彎曲性，如圖6，通過3D打印技術(shù)，可以仿造出海馬的尾部結(jié)構(gòu)，從而可以自由地纏繞到管狀物體上，也可以通過尾部的變形，提供給海馬運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。
圖6 海馬的鎖疊骨板鱗結(jié)構(gòu)可以增加尾部的彎曲性
由此可見，仿生多材料3D打印技術(shù)，不僅可以幫助我們探索魚類魚鱗甲的結(jié)構(gòu)秘密，也可以仿造出同樣的魚皮來，當(dāng)人穿上這些魚皮結(jié)構(gòu)時(shí)，這些大自然神奇的結(jié)構(gòu)就可以幫助我們減少水的阻力，提高在海里活動(dòng)的靈活性，并可以在一定程度上提供外在保護(hù)，真正地讓你離成為“美人魚”更近了一步。