許多現(xiàn)代創(chuàng)新都可以追溯到對我們周圍自然世界的適應(yīng)，但將自然界的原理應(yīng)用到現(xiàn)實世界中并不完全是一回事。維可牢尼龍搭扣來自植物的毛刺，風力渦輪機基于鯨魚鰭，夜間幫助我們導(dǎo)航的道路反射鏡可以追溯到貓眼的反射特性。

圖 1太陽甲蟲

最近，工程師們將注意力轉(zhuǎn)向了太陽甲蟲（Pachnoda marginata）獨特的鐘形翅膀結(jié)構(gòu)。由于其有兩個可區(qū)分的層——鐘形的上層和幾乎筆直的下層——翅膀在拉伸和向上彎曲時很堅硬，但在壓縮和向下彎曲時很靈活。（圖 1）

這一關(guān)于甲蟲后翅膜在飛行過程中如何變形的發(fā)現(xiàn)，使倫敦南岸大學(xué)工程學(xué)院能夠開發(fā)出一種單向鉸鏈設(shè)計，該設(shè)計在相當大的尺寸范圍內(nèi)具有仿生適用性。仿生材料是復(fù)制自然生物物體的合成材料。由于它們是人造的，這些材料設(shè)計需要測試。

新型鉸鏈設(shè)計起飛

受昆蟲啟發(fā)的鉸鏈概念正在許多行業(yè)中進行探索，包括可以輕松組裝和拆卸的模塊化設(shè)計、自適應(yīng)無氣輪胎的設(shè)計以及泊松比為零的超材料，其中材料的壓縮行為由接頭控制，因為材料不會因軸向應(yīng)變而橫向變形。

該大學(xué)工程學(xué)院機械工程與設(shè)計講師 Hamed Rajabi 解釋說：“通過在計算模型中系統(tǒng)地改變其設(shè)計參數(shù)，我們表明雙層膜鉸鏈的特性可以在很寬的范圍內(nèi)進行調(diào)整。這使我們能夠開發(fā)出廣闊的設(shè)計空間，我們后來將其用于模型選擇。”

“我們在三個不同的應(yīng)用中使用了選定的模型，這證明了雙層鉸鏈是一種簡單而有效的設(shè)計策略，可以使用單一材料控制結(jié)構(gòu)的機械響應(yīng)，而無需額外的質(zhì)量。”（圖 2）

圖 2 基于模型的設(shè)計表明，雙層膜鉸鏈特性可在廣泛范圍內(nèi)進行調(diào)整，以便在廣泛的設(shè)計空間中進行應(yīng)用開發(fā)

工程新材料

為了確保這些基于模型的各種場景具有實際適用性，Rajabi 采用了配備 Tinius Olsen 500N 稱重傳感器的萬能試驗機 (UTM)，不僅可以執(zhí)行所需的拉伸和壓縮測試，還可以與 Hamed 及其團隊開發(fā)的定制設(shè)置結(jié)合使用。

堅固的 1ST 配備各種不同容量的稱重傳感器，可提供精確的施加負載測量，專為材料和組件的拉伸、壓縮、彎曲和剪切強度測試而設(shè)計。它可以處理從最小的測試樣本到滿負荷機器的場景。

“Tinius Olsen 對這個項目的支持令人難以置信。在選擇正確的測試機、稱重傳感器和配件方面提供的全面幫助和支持非常寶貴。他們的支持人員隨時可以回答我們的任何問題，全天指導(dǎo) 1ST 和 Horizo??n 軟件特別有幫助，并開發(fā)了我們需要的所有測試協(xié)議。如果沒有公司的投入，我們肯定不會取得這項研究的成果，”Rajabi 指出。

對于模塊化設(shè)計，雙層膜鉸鏈進行了三點彎曲測試，并在兩個相反方向上以 1 毫米/秒的恒定速度受到 10 毫米的位移。

無氣輪胎和超材料都進行了壓縮測試，無氣輪胎設(shè)計在兩個平板之間以 1 毫米/秒的恒定速度受到 20 毫米的位移，而超材料在兩個平板之間以 1 毫米/秒的增量位移受到最大約 500N 的力。（圖 3）。

圖 3事實證明，設(shè)計的材料測試對于確保工程概念的安全性、可靠性和有效性至關(guān)重要

適當?shù)臏y試場景

壓縮測試測量材料在承受壓縮載荷時的基本變量，包括應(yīng)力、應(yīng)變和變形，以幫助確定該材料的行為或響應(yīng)。目標是確定材料是否適用于特定應(yīng)用，或者在特定應(yīng)力下是否會失效。

拉伸強度是材料斷裂或永久變形時的應(yīng)力，在測試結(jié)構(gòu)應(yīng)用或機械設(shè)計中使用的材料時很常見。通常，夾緊的樣品會受到恒定速率的拉伸載荷，使其拉伸并最終斷裂。

在設(shè)計將要推向市場的新材料時，這些是確?？煽啃院桶踩砸约疤岣叱杀拘实年P(guān)鍵參數(shù)。了解初始新概念的預(yù)期結(jié)果將有助于工程師進一步進行產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新。

Rajabi 解釋說：“這種生物單向鉸鏈為設(shè)計和開發(fā)工程結(jié)構(gòu)提供了生物識別靈感，這些結(jié)構(gòu)對施加在不同方向上的相等力表現(xiàn)出不對稱響應(yīng)。這尤其有趣，因為雙層膜提供了一種簡單、廉價的方法來制造單向鉸鏈，而不會增加質(zhì)量。”

但這個鼓舞人心的概念能在現(xiàn)實世界中實現(xiàn)嗎？使用 Tinius Olsen 材料測試系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)和見解不僅可以幫助工程師了解新設(shè)計材料的局限性，還可以幫助他們了解新設(shè)計材料的可能性。結(jié)果使新創(chuàng)新得以進一步應(yīng)用，例如鉸鏈甲蟲翼的情況。

“在這個特定例子中，鉸鏈是雙層膜類型，它依賴于可逆薄板屈曲。通過真實規(guī)模的計算模擬和放大的物理建模，證實了這種雙層膜可以充當單向鉸鏈。”

材料測試加強創(chuàng)新

我們的現(xiàn)代世界依靠通過創(chuàng)新實現(xiàn)的工程技術(shù)運行，但長期以來，人們一直依靠材料測試來實現(xiàn)這些概念。實現(xiàn)超越假設(shè)的設(shè)計進步需要可靠的分析和經(jīng)過驗證的測試方法，以確保產(chǎn)品的可靠性、消費者安全和長期收益。