【比蟑螂更耐壓】汽車壓不死的甲蟲,科技部導入 AI 及 3D 列印助攻仿生新材料

惡魔鐵鎧甲蟲(Diabolical Ironclad Beetle),精巧的生物結構設計可承受汽車重量。

(本文經合作夥伴 中央社 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈汽車壓不死的甲蟲 科技部導入 AI 助攻仿生新材料 〉。)

【為什麼我們要挑選這篇文章】材料科學與工程發展至今,依然有許多挑戰,如難以兼具輕、強、韌性質,而結合不同材料(如金屬和高分子)同樣是困難的挑戰。不過現在,美國有一種超硬甲蟲為仿生材料研究突破帶來了一絲新希望!(責任編輯:徐宇儂)

甲蟲被汽車輾過可以存活,關鍵不是外殼有強韌元素,而在於精巧的結構設計。

台灣團隊師法大自然,加上科技部專案結合人工智慧、機器學習等技術,開發設計平台,有望為材料學開啟更多可能。

材料科學與工程發展至今,面臨許多瓶頸,像是難以兼具輕量化、高強度與高韌性,導致常在性質與材料間取捨。不過,仿生結構材料研究領域早已發現可以從大自然身上找到解決問題的關鍵。

2 公分甲蟲能承受汽車重量,成超耐壓材料結構研究主題

科技部今天舉行研究成果記者會。清華大學材料科學工程學系副教授陳柏宇與台大土木系、應力所和成大工科系跨領域團隊合作,執行為期 4 年的科技部工程司智慧仿生材料與數位設計平台專案計畫。

陳柏宇去年曾受邀在國際頂尖期刊「自然(Nature)」撰寫科普性文章介紹美國研究團隊對惡魔鐵鎧甲蟲(Diabolical Ironclad Beetle)超耐壓外殼的研究。陳柏宇用甲蟲來解釋仿生結構材料的奧妙之處。

陳柏宇指出, 美國西部有一種約 2 公分大小的惡魔鐵鎧甲蟲 ,黑色堅硬外殼不僅做標本使用的大頭針無法穿透,甚至可以承受體重 3.9 萬倍的壓力,讓甲蟲 被汽車壓過仍然可以存活 ,其中關鍵不在於外殼有鐵或礦物質等成分,而是 2 項結構設計。

陳柏宇表示,2 項設計包括剛柔並濟的側向支撐與類似拼圖狀的榫接結構,大幅提升韌性與可靠度 ,有望解決不同材料的接合問題,可應用在航太、機械工程與建築領域。

仿昆蟲外骨骼螺旋結構。(圖片來源:科技部)

生物材料結合 AI、3D 列印等創新技術,未來可應用在航太、機械工程與建築

陳柏宇指出,人造材料著重「材料選擇」,生物材料擅長的是「結構設計」,但 團隊不只是從生物身上學習概念做仿生結構材料而已,還加上人工智慧、機器學習、3D 列印與功能驗證 ,開拓無限可能。

陳柏宇以貝類珍珠層啟發的高韌性複合材料為例。譬如,珍珠層跟粉筆多數都是由碳酸鈣組成,但是透過微結構調整,珍珠層的韌性高於粉筆 3000 倍,其中 95% 是硬一點的材料、5% 是軟一點的材料,用類似磚塊、水泥建立牆壁的組合方式當架構。

但透過機器學習,可以嘗試替換多種材料、多種組合架構,等於開發出數千種可能,最後再來歸納出最適合的材料,做後續驗證與商業應用。

鮑魚殼珍珠層主要由碳酸鈣組成,透過微結構調整,珍珠層的韌性高於粉筆 3000 倍。以機器學習替換多種材料、多種組合架構,可開發出數千種可能。(圖片來源:科技部)

陳柏宇表示,目前較為成熟案例是仿生孔洞結構應用在製作跑步鞋鞋底的材料,針對鞋底前中後段有回彈、支撐、緩衝等需求做區域化與客製化設計,突破傳統鞋底難以兼顧不同需求的限制,概念源頭則是來自於動物腳掌的肉墊。該研究已經進行 2 年多,目前跟工研院與廠商正在前期測試階段。

科技部舉辦工程司智慧仿生材料與數位設計平台專案計畫成果記者會。左起為科技部工程司郭箐副司長、國立成功大學工程科學系游濟華助理教授、國立台灣大學應用力學所周佳靚助理教授、科技部工程司李志鵬司長、國立清華大學材料科學工程系陳柏宇教授、國立台灣大學土木工程系張書瑋副教授。(圖片來源:科技部)

(本文經合作夥伴 中央社 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈汽車壓不死的甲蟲 科技部導入 AI 助攻仿生新材料 〉。)

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