核桃带给我们的启示 - 北航樊瑜波教授、王丽珍教授团队《Adv. Sci.》：在损伤、防护生物力学机制研究方面的重要进展

2023-08-03 来源：高分子科技

交通事故及体育运动等环境中人体面临复杂的动态载荷，且其致伤率和致死率非常高。自然界中核桃等经过长期进化形成独特防护性能，师法自然从中获得启示和灵感，对于人体损伤防护具有重要的意义。

北京航空航天大学生物与医学工程学院、生物力学与力生物学教育部重点实验室、北京市生物医学工程高精尖创新中心樊瑜波教授、王丽珍教授团队对核桃壳的轻质增强增韧机制开展生物力学研究，以“Fracture resistance biomechanisms of walnut shell with high-strength and toughening”为题发表于著名综合性期刊《Advanced Science》。樊瑜波教授为该文通讯作者，王丽珍教授及博士后徐鹏为该论文共同第一作者，北京航空航天大学为唯一完成单位（Adv. Sci. 2023, 2303238）。该研究团队长期针对高过载损伤与防护领域面临损伤率高、防护难等挑战，本质是损伤机制不清/耐限不准、防护技术及装备效能不足的问题开展基础研究与技术攻关，该研究是团队在国家自然科学基金委联合基金（U20A20390）等项目资助下，在损伤与防护生物力学研究领域取得的又一重要进展。

该研究揭示了核桃质心及形心、内部支撑结构及壳体材料微结构特征和力学性能分布特征。首次发现质心与形心不对称分布造成碰撞后旋转耗能而降低回弹高度和冲击力峰值；发现核桃内部独特的分心木结构对整体刚度具有增强作用，可抵抗外力导致的大变形、避免开裂进而实现对果仁的保护；发现核桃壳力学性能和孔隙率呈现独特的S形梯度分布，根据力学理论推导、数值模拟以及实验验证发现S形梯度分布增强壳体缓冲能力、降低峰值载荷；此外壳体单细胞壁为内凹多胞状具备拉胀特性，且细胞壁上纹孔结构可使裂纹偏转，增加了细胞壁在变形和断裂过程中的能量消耗，实现了微观尺度上的增强增韧。

核桃壳体力学性能/孔隙率梯度分布规律及增强机制

核桃壳体单细胞壁微观结构及其增强增韧机制

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202303238

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（责任编辑：xu）

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