在概念验证测试中，仅配置了10个内部鳞片的模块就能承受约10牛顿的挤压力。

大自然花了数百万年时间完善了犰狳这种身披盔甲的哺乳动物。材料科学家们刚刚在实验室里用3D打印机、银纳米线和重型纸复刻了它的外壳。

北卡罗来纳州立大学的团队打造了一款“机器犰狳皮肤”，正式名称为形态互锁防护模块（MIPM）。有趣的是，它能感知危险，并瞬间卷曲成一个坚硬的防护壳。

这是一款动态的盔甲，旨在保护下一代脆弱的技术设备，尤其是软体机器。

“软体机器人和柔性电子领域已经取得了长足的发展，但这些设备往往也很脆弱，”该校机械与航空航天工程系安德鲁·A·亚当斯杰出教授朱勇表示。

“我们的目标是开发一种解决方案，让这些脆弱的技术能够正常工作，同时在必要时为其提供保护，”这位通讯作者补充道。

为卷曲而设计

这项新型防护技术的巧妙之处在于其多层设计。

该模块结构采用三层设计，可实现从柔性到刚性的转变。其外骨骼由3D打印的树脂鳞片构成，而内骨骼则利用折叠的纸脊来容纳互锁的聚合物鳞片。

中间层是传感与驱动层，由嵌有银纳米线的弹性聚合物应变传感器、导电织物加热器、液晶弹性体和Kapton胶带组成。

当集成的应变传感器检测到威胁时——无论是轻柔的挤压还是突然的冲击——它就会向控制单元发出信号，为内部的加热层供电。

这种热量引发了一场分子层面的拔河比赛。一边是液晶弹性体收缩，另一边是Kapton胶带层膨胀。这种同步运动迫使整个结构向内卷曲，将自己包裹成一个保护圈，3D打印的树脂鳞片朝外。

但单纯的卷曲并不足以抵御猛烈冲击。在模块弯曲时，连接在折叠纸内骨骼上的一系列刚性聚合物鳞片紧密地互锁在一起。这种互锁机制将柔软可弯的材料转变为一个能吸收冲击力的高刚性内部骨架。

守护下一代技术

在测试中，该系统能检测到应变，并触发其转变为防护壳。此外，团队发现增加内骨骼中分段鳞片的数量能提升结构整体的刚度和强度。

“通过力学引导的设计，我们在内骨骼分段和结构轻量化之间建立了一种权衡，”朱勇说，“例如，10个分段鳞片就能承受大约10牛顿的力。”

该系统可以调节以应对不同程度的威胁。此外，研究人员还在鳞片使用数量与设备重量之间建立了一种精确的数学指导权衡，从而可以根据承载需求来定制装甲。

“我们可以看到这项技术被用来保护许多类型的物体——基本上任何它能够弯曲包裹住的东西都可以，”论文第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后研究员周建宇指出。

从在狭窄岩石缝隙中穿行的搜救无人机，到植入活动关节的柔性医疗设备，其潜在应用范围十分广泛。

北卡罗来纳州立大学的团队目前正在积极寻找商业合作伙伴，以将他们的机器犰狳从实验台推向现实世界。

这项研究成果于5月27日发表在《科学进展》期刊上。

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