该材料在压缩和冲击测试中均优于传统晶格结构。

研究人员从蝴蝶翅膀中汲取灵感，创造出一种兼具卓越强度、抗冲击性和能量吸收能力的轻质晶格结构。

这种超轻材料模仿了鳞翅目昆虫分散应力的方式，由日本仙台东北大学的研究人员与中国湖北武汉理工大学的同事合作开发。在该项目中，研究团队复现了昆虫翅膀的翅脉几何结构，构建了一种蝴蝶形体的体心立方晶格构型。这种结构不仅能最小化应力集中，还能提升对极端作用力的抵抗能力。

研究团队希望，这种高回弹结构未来可集成于飞行器之中，并应用于抗震基础设施，以全面提升安全性能。

科学家们解释道："受蝴蝶翅膀均匀应力分布的启发，我们提出了一种基于仿蝴蝶体心立方拓扑结构的新型各向异性晶格设计。"

仿生学的实践应用

在此项研究中，团队采取了独特的思路。他们没有选择改变基体材料本身——这一过程往往资源消耗巨大——而是专注于通过结构拓扑设计来调控刚度、强度、变形行为以及抗失效能力。

在实验室测试和有限元计算机模拟中，新型晶格显著优于传统设计。在准静态压缩和动态冲击载荷作用下，它均展现出更高的弹性模量、增大的平台应力以及更优越的能量吸收能力。

研究人员强调："我们采用实验和数值模拟方法来研究晶格结构的静态与动态力学行为，并使用数字图像相关技术来分析晶格结构中的应力分布。"

简而言之，该结构不仅能更有效地抵抗外力，还能调控力在内部的传播路径。研究团队补充道："特别是，新设计的晶格在弹性模量、平台应力和能量吸收性能方面均有显著提升。"

此外，在受到冲击时，该结构通过一种类似于蝴蝶展翅的X形变形路径有效重新分布应力，从而抑制了局部坍塌并延迟了灾难性破坏的发生。

专为抵抗冲击而生

日本东北大学高级材料研究所副教授、博士程建峰认为该设计潜力巨大。他确信，这一性能可为诸多应用领域开辟道路。

程博士在一份新闻声明中表示："这种结构机制尤为引人注目，因为大多数轻质晶格材料无法承受诸如局部屈曲或冲击等作用力。相比之下，我们的设计展现出了对突加机械载荷更强的抵抗力。"

在航空航天领域，能够吸收冲击的轻质材料对于在不增加额外重量的前提下提升飞行器安全性至关重要。这类晶格有助于保护关键部件免受机械冲击或坠撞损害。

同时，在日本等地震多发地区，建筑结构必须能够快速吸收并耗散地震能量。这种仿生蝴蝶的设计有望催生出既能承受震动又能减少结构损坏的新型材料。

研究人员总结道："该设计在航空航天、汽车制造以及防护系统等对轻质抗冲击材料有严苛要求的先进应用领域前景广阔。"

此项研究已发表于《国际机械科学杂志》。

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