北卡羅來納州立大學研發模仿犰狳的保護外殼模組以應用於軟機器人技術

科學家們花費數百萬年時間完美化裝甲獸這種有甲殼的哺乳動物。近日，北卡羅來納州立大學的材料科學家們使用 3D 打印機、銀納米線和耐用紙張，成功在實驗室中複製了裝甲獸的外殼。他們創造了一種名為 Morpho-Interlocking Protective Module (MIPM) 的「機器裝甲獸」皮膚。值得注意的是，這種皮膚能夠感知危險並即時捲曲成堅固的保護殼。

這是一種動態的盔甲設計，旨在保護下一代脆弱科技，尤其是柔性機器。

該校機械與航空工程學的安德魯·A·亞當斯傑出教授 Yong Zhu 表示：「在柔性機器人和靈活電子產品的領域，近年來取得了巨大的進展，但這些設備往往也很脆弱。我們的目標是開發一種解決方案，使這些脆弱技術能夠運行，但在必要時可以保護它們。」

新型機器裝甲獸的保護技術具備多層設計

新的保護技術的卓越之處在於其多層設計。該模組結構具有三層設計，能夠從柔性轉變為剛性。其外部外骨骼由 3D 打印的樹脂鱗片製成，而內部的內骨骼則利用摺疊紙條來容納互鎖的聚合物鱗片。中間夾層是由嵌入銀納米線的彈性聚合物應變傳感器、導電布加熱器、液晶彈性體和 Kapton 膠帶組成的感知及驅動層。

當一個集成的應變傳感器檢測到威脅 — 無論是輕微的擠壓還是突如其來的衝擊 — 它會向控制單元發送信號，啟動內部加熱層。這種熱量觸發分子間的拉鋸戰。一方面，液晶彈性體收縮；另一方面，Kapton 膠帶擴展。這種協調的運動迫使整個結構向內捲曲，形成一個保護圈，3D 打印的樹脂鱗片朝外。

然而，簡單的捲曲不足以抵擋重擊。當模組彎曲時，一系列剛性聚合物鱗片與摺疊的紙內骨骼緊密鎖合。這種互鎖機制將柔性、可彎曲的材料轉變為能夠吸收力量的高度剛性內部骨架。在測試中，該系統檢測到應變並觸發其轉變為保護外殼。

此外，研究團隊發現，增加內部骨架中段鱗片的數量可以提升結構的整體剛性和強度。Zhu 表示：「通過機械引導設計，我們建立了內骨骼分段與結構輕量化之間的權衡。例如，10 個段鱗片能夠承受約 10 牛頓的力量。該系統可以調整以響應不同級別的威脅。」

機器裝甲獸的潛在應用範圍廣泛

研究人員還建立了一個精確的數學指導的權衡，平衡所用鱗片的數量與設備的重量，從而根據負載定製盔甲。NC State 的博士後研究員及該論文的第一作者 Jianyu Zhou 指出：「我們可以看到這項技術被用來保護許多類型的物體 — 實際上是任何能夠包裹的物體。」

從搜索與救援無人機在狹窄的岩石縫隙中導航，到植入移動關節的柔性醫療設備，潛在應用廣泛。北卡羅來納州立大學團隊目前正在積極尋找商業合作夥伴，將他們的機器裝甲獸從實驗室轉向現實世界。相關研究結果已於 5 月 27 日發表在《科學進展》期刊上。