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師法自然 台科技部導入AI助攻仿生新材料

左起為科技部工程司副司長郭箐、成功大學工程科學系助理教授游濟華、台灣大學應用力學所助理教授周佳靚、科技部工程司司長李志鵬、清華大學材料科學工程系教授陳柏宇、台灣大學土木工程系副教授張書瑋合影。(科技部提供)
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【大紀元2021年03月24日訊】(大紀元記者袁世鋼台灣台北報導)材料科學與工程發展迄今面臨難以兼具輕量化、高強度與高韌性等許多瓶頸,如,而如何有效連接不同材料仍是困難的挑戰。清華大學材料科學工程學系教授陳柏宇指出,師法自然可啟發更輕、更強韌的仿生材料,但如何找出可行的最佳化結構設計,AI的角色就很關鍵。

陳柏宇獲國際頂尖期刊《自然》(Nature)邀請,從材料科學工程的觀點,撰寫科普性的新知評論,介紹美國加州大學爾灣分校與普渡大學團隊對惡魔鐵鎧甲蟲(Diabolical Ironclad Beetle)超耐壓外殼所做的研究。陳柏宇表示,堅硬的外殼讓它幾乎沒有天敵,踩不扁、捏不碎、大頭針也無法刺穿、被汽車輾過還能存活,可承受其體重3.9萬倍的壓力。

惡魔鐵鎧甲蟲被汽車輾過還能存活,仿昆蟲外骨骼螺旋結構研究,可望助攻仿生新材料。(科技部提供)

惡魔鐵鎧甲蟲的外殼其實不含鐵或礦物質,和其他昆蟲一樣由幾丁質和蛋白質所組成,而牠的超抗壓能力源自2種關鍵的結構設計。第一,具有功能梯度的側向支撐,前段緊密契合可保護重要的內臟器官;而中段和後段在受壓時可產生局部或大幅度的變形,有助鑽進石縫躲藏或樹皮間隙中覓食。

其次,拼圖狀的榫接結構將翅鞘緊密相連,其層狀的微結構受力時,層與層間可形成微小裂縫,造成體積膨脹,使突起與凹槽扣鎖得更緊密,大幅提升韌性與可靠度。陳柏宇說,這項發現有望解決不同材料的接合處因應力集中於較窄的頸部,造成脆性斷裂而提早失效的問題,可應用於航太、機械工程、建築等領域。

陳柏宇表示,有別於人造材料的性質常取決於材料選擇,生物材料最擅長的是「結構設計」,常用的策略則是「減法」和「乘法」,能高效運用有限的材料達到輕量化,並藉由不同尺度結構間的增韌機制大幅提升功能性;不過,由於複雜的多階層結構使仿生材料製程困難度極高,因此如何找出關鍵可行的最佳化結構設計,人工智慧扮演重要的角色。

以楓香果序為啟發三維多孔。結構
以楓香果序為啟發三維多孔。結構(科技部提供)

科技部表示,陳柏宇帶領的跨領域研究團隊也正在執行相關研究計畫,包含整合多階層結構分析、機械性質量測、多尺度模擬、人工智慧、機器學習、3D列印與功能驗證等,有系統的研究多種兼具優異機械性質的生物材料,如由楓香果實啟發,設計超輕量、高強度的孔洞材料;由甲蟲外殼啟發,開發耐衝擊、高能量吸收的螺旋梯度結構等。◇

責任編輯:王愉悅

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