鸟类蛋壳用于生存适应的机械设计原理
应用物理
2022-11-02 v1
摘要
生物材料展现出复杂的结构-性能关系，这些关系才刚刚开始被阐明。理解结构-性能关系背后的物理机制是设计仿生材料的关键。蛋壳是一个极佳的例子，因为其看似简单但高度进化的结构很好地平衡了诸多设计权衡。第一项设计权衡：要打破蛋壳，所需的内部破坏载荷远低于外部破坏载荷。原因在于圆顶状结构导致了一种特殊的应力分布，抑制了第一条裂纹的扩展。第二项设计权衡：蛋壳在孵化期间坚韧，但在孵化时刻变弱。蛋壳的膜通过桥接主裂纹并产生更多次生裂纹显著提高了韧性。此外，膜受含水量控制的特性使蛋壳的韧性可调。第三项设计权衡：蛋壳必须足够厚以承受外力，但构建材料钙的供应有限。所提出的三指标模型表明，蛋壳厚度演化的驱动力可能是在保护与营养消耗之间取得平衡，以最大化生存能力。本文提出的通用方法学在开发受蛋壳启发、可用于运动安全装备和包装行业的结构材料方面具有巨大潜力。
引用
@article{arxiv.2211.00190,
title = {Mechanical Design Principles of Avian Eggshells for Survivability},
author = {Fan Liu and Xihang Jiang and Lifeng Wang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2211.00190},
year = {2022}
}