结构仿生学是一种开发轻、坚固、坚韧材料（LSTMs）的智能方法。目前的制造技术(3D打印、双光子光刻）在构建复杂的交错结构时往往面临挑战，例如增加雀尾螳螂虾的超高强度和断裂韧性的正弦交叉人字形结构。上海交通大学凌代舜教授、西安交通大学刘益伦教授、上海科技大学凌盛杰研究员通过结合纺织加工和蚕丝纤维“焊接”技术，报道了具有层压或人字结构的仿生LSTMs。由此得到的仿生丝LSTMs（BS-LSTMs）表现出密度为0.6-0.9g−3的轻型组合，却也比动物角坚固1.5倍，耐用16倍。这些发现表明，BS-LSTMs是由蚕丝蛋白制成的最坚硬的天然材料之一。有限元模拟进一步揭示了BS-LSTMs的强化和硬化主要来自于蚕丝纤维的分层组织和机械可转移的内部界面。本研究强调了将纺织加工与纤维“焊接”技术相结合，制造具有优越结构和机械性能的BS-LSTMs的合理、经济、可控的内部结构和可转移策略。这些发现对生物医学、机械工程、智能纺织、航空航天工业等领域的广泛应用具有重要意义。
相关研究内容以“Biomimetic Silk Architectures Outperform Animal Horns in Strength and Toughness”为题于2023年8月18日发表在《Advanced Science》。
示意图 雀尾螳螂虾的结构力学关系
雀尾螳螂虾有良好的机械性能是由于其优越的梯度内部结构组成的冲击和周期区域，能够提供加速度超过105 m s−2和速度为23 m s−1的打击（示意图）。
图1 BS-LSTMs的制备和层次结构表征
本研究选择丝织物来制造受生物启发的结构是基于以下3个原因：（1）蚕丝具有完善的纹理图案和纺织技术，可以作为构建复杂结构的参考；（2）蚕丝是从蚕茧中获得的蛋白质纤维，由于其固有的生物相容性，是一种丰富、可持续的材料，可应用于生物医学、结构工程和空间相关应用等众多新兴领域；（3）蚕丝具有独特的结构层次（图1A），与大多数聚合物纤维相比，它具有优越的强度和耐久性。仿生丝LSTMs或BS-LSTMs，其灵感来自于自然界中发现的层压和人字形结构（图1B）。
图2 蚕丝织物“焊接”加工过程中的结构变化
图3 BS-LSTMs的结构表征
六氟异丙醇（HFIP）具有挥发性，溶解的蚕丝纤维具有粘合性，可以作为胶水将纤维结合在一起。扫描电子显微镜（SEM）和广角X射线散射（WAXS）显示HFIP穿透织物后部分溶解蚕丝纤维的表面（图2A-C）。蚕丝纤维在经过焊接处理后仍保持其特有的β-sheet结构（图2C）。与HFIP孵育30天后，2D蚕丝织物的拉伸失效模式从撕裂模式逐渐转变为整体断裂模式（图2D）。
图3描述了纤维“焊接”后的BS-LSTMs的内部结构。预先设计的内部结构被保留下来（图3B）。采用高空间分辨率同步加速器小角度X射线散射（SAXS）检查人字形特征的内部结构，采用步长为50 um的连续扫描模式检查蚕丝纤维在横截面平面上的对齐效果，SAXS模式显示了纤维框架在Y、Z方向上的分化与人字形结构的内部结构修饰相一致（图3C）。这些结果证明成功强化BS-LSTMs、构成复杂而强大的生物启发结构。
图4 BS-LSTMs的机械性能
采用三点弯曲试验对BS-LSTMs的力学性能进行评价，应力-应变曲线表现出平缓的变形（图4A）。利用单边切口弯曲（SENB）与超高速摄像系统来确定蚕丝织物的断裂韧性。利用激光在蚕丝织物中切割出一个人工缺口。缺口蚕丝织物和水牛角的应力-应变曲线如图4B所示。当缺口小于织物宽度的一半时（图4C、D箭头），缺口织物与未缺口织物具有相同的应力-应变曲线；强度系数降低，表现出典型的韧性断裂行为。采用JR法计算BS-LSTMs的断裂韧度系数（KJC/ρ），结果显示BS-LSTMs的断裂韧度系数达到珍珠层和致密骨的1.4-3.8倍，优于大多数其他天然和工程材料（图4E）。
图5 蚕丝织物的有限元模拟
图6 BS-LSTMs的三弯曲模拟
图7 带有人工缺口的BS-LSTMs模拟
蚕丝织物模型在最开始受到单轴拉伸载荷，在织物的一侧切割一个缺口以促进断裂（图5A）。记录的应力-应变曲线显示随着焊接产生的影响变大，织物变得越脆。模拟快照显示了每个模型在不同焊接强度下的失效进度（图5B）。在没有焊接的情况下，织物对预定的缺口没有反应。随着焊接的引入，蚕丝纤维缠绕在一起，在缺口尖端出现应力集中，应力集中程度随着焊接程度的增加而增加。
与拉伸试验类似，焊接对具有层压结构的BS-LSTMs响应有很大的影响。图6中的弯曲应力-应变曲线显示，焊接程度低的材料表现较软，而焊接程度高的材料具有脆性。对焊接程度较低模型的变形和裂纹演化进行进一步观察，发现断裂的螺纹仍然通过裂纹界面连接着材料（图6B）。
为了进一步研究这一现象，在三点弯曲装置中，对具有人工缺口的模型应用相同的载荷。如图7所示，焊接程度较低的BS-LSTMs比较柔韧，而焊接程度较高的BS-LSTMs则比较脆。对于焊接程度较低的材料，裂纹往往起源于相互关联的区域，并表现出不规则的裂纹路径；而对于焊接程度较高的材料，裂纹位于模型的中间底部区域。总体而言，无缺口模型和缺口模型的弯曲行为具有可比性，预置裂纹在一定程度上降低强度。
总之，本研究证明了纺织加工和纤维“焊接”技术的成功结合，以制造复杂的具有交错内部结构的生物启发3D结构。这些特性不能用传统或先进的材料加工方法来复制。纺织技术和纤维“焊接”工艺的可扩展性使其非常适合大规模生产和工业应用。仿生丝LSTMs很有前景的一个应用是开发人工角或角替代品，这可能有助于打击犀牛和象角的非法贸易。BS-LSTMs不仅比化学交联的动物角更坚固，而且还可以与珍珠层和骨这两种高强度和弹性材料相媲美。此外，本研究方法通过结构设计实现了机械加固，突出了这些技术在构建其他结构和功能LSTMs方面的潜力。总的来说，本研究展示了一种合理的LSTMs设计和制造的策略，在生物医学、机械工程、智能纺织品、航空航天工业等领域具有广泛的应用潜力。
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