动物王国充满了令人敬畏的盔甲。有些生物拥有坚硬的外壳或骨板。有些则偏爱更灵活的鳞片覆盖。所有这些保护层都经过专门设计，以帮助它们的佩戴者抵御大自然的各种攻击，从汹涌的海浪到捕食者的牙齿和爪子。
如今，这些庞大的军火库正启发着人类的新型盔甲。科学家们正在研究海螺壳和鱼鳞为何如此坚韧，并设计自己的版本。他们甚至转向了蜘蛛丝等材料，并为这种超强的粘液构想出新的保护功能。几年之内，这些新型盔甲可能会出现在防弹背心、防护手套、运动头盔，甚至运动服装中。
“大自然在这场游戏中已经玩了几百万年了，”蒙特利尔麦吉尔大学的机械工程师 Francois Barthelat 说。“这确实是一个非常大的灵感来源。”
以下是动物帮助我们保护自己的三种方式。
规模化
要杀死一条鳄鱼加鱼并不容易。这种鱼生活在美国南部路易斯安那州和德克萨斯州等地，拥有近乎无法穿透的鳞片。“它非常坚硬，几乎感觉像牙齿，”Barthelat 说。这种覆盖物比大多数鱼鳞都重，所以加鱼的机动性不快。它还非常坚韧，普通刀子无法将其切开。Barthelat 说，要切割加鱼的鳞片，最好还是使用钢锯。
这使得它成为制造能抵抗穿刺和割伤的柔性装甲的理想灵感来源。Barthelat 和他的同事们通过拿市场上死鱼的鳞片，并用细针刺穿它们的皮肤来测试鳞片。他们发现条纹鲈鱼——一种更常见的鱼——的鳞片相当坚固。然而，“当我们对加鱼进行相同的测试时，我们根本无法穿透皮肤，”Barthelat 说。“小针头基本上会弯曲并断裂。”他们换成了更大的钢针，但仍然未能使加鱼的鳞片破裂。
受此启发，该团队现在正试图模仿加鱼的厚皮肤。目前，他们正专注于鳞片排列的方式，而不是材料本身。他们正在将塑料“鳞片”3D 打印到橡胶垫上，并调整尺寸、间距、形状、厚度和其他特性，以找出哪种表现最好。
在尝试了几种不同的排列后，Barthelat 和他的团队发现，最坚固的装甲最接近真实的加鱼鳞片。他们还观察到，许多小鳞片比大鳞片更难打破。成功的另一个关键是：像大多数真实鱼类一样，鳞片是重叠的。当这些鳞片受到攻击时，它们可以将部分冲击力传递给相邻的鳞片。这对装甲来说是一个重要的特性；如果捕食者的牙齿咬住一个鳞片，并将其压入动物柔软易受伤害的皮肤，即使鳞片没有被刺穿，动物也会受伤。
该团队现在已经进展到制作陶瓷鳞片，并将它们粘贴到凯夫拉尔手套上，凯夫拉尔手套通常由需要处理尖锐物品的人佩戴。“戴上凯夫拉尔手套，你基本上可以抓住刀刃而不会割伤自己，”Barthelat 说。但是，虽然很难切断这些手套，但细小的针仍然可以从凯夫拉尔织物的线之间滑过。这对于分类回收或清理公园的工人来说尤其危险，他们可能在针刺到手之前就看不到它。
Barthelat 说：“目前技术能提供的最好产品，还不足以充分保护他们从事这项工作。”
他的目标是制造出能够保护佩戴者免受穿刺伤害，但又足够柔软以至于可以活动手部的手套。“如果我们能够解决仿生设计在手套和手指上的问题，那么我们就几乎可以应对身体上的任何事情了，”他说。
他的原型上装饰着约 2 毫米大小的氧化铝鳞片，尽管他计划为指关节周围区域制作更小的鳞片。该团队使用激光雕刻机切割鳞片，然后将其粘贴到手套上。他们正在与安大略省的工作手套制造商 Superior Glove 公司合作测试他们的产品。他说，该公司使用标准测试无法刺穿 Barthelat 团队寄给他们的手套。
然而，即使是加鱼的盔甲也有其局限性。鱼鳞擅长抵御穿刺，但并不适合抵挡飞速射来的子弹。因此，它们不是防弹背心的理想衬里。不过，这些鳞片可能对抵御刺伤的装甲有用。人们可以穿戴装甲保护躯干，但颈部经常暴露在外。Barthelat 说，一种仿生鱼鳞的柔性装甲可能会保护这个易受伤害的区域。
壳的力量
大自然中许多最坚韧的防御都是由几个简单的成分制成的。“实际的材料并不重要——重要的是材料如何组合在一起形成这些结构，”麻省理工学院的材料科学家 Markus Buehler 说。
对于海螺壳来说就是如此。海螺是装甲的绝佳灵感来源，因为它们的壳代表了大自然中最坚固的装甲之一。这些动物建造的抗冲击性房屋比珍珠母（或称贝壳内层）坚韧 10 倍。但它们是由弱材料——一种具有果冻般稠度的蛋白质，以及脆而灰白的矿物质——制成的。“它们能够利用工程师甚至不会触碰的非常简单的构件，”Buehler 说。“我们不会用蛋白质或粉笔制造飞机。”
与工程师不同，海螺无法在对现有材料不满意时出去购买钢材。因此，在壳中，这些原材料被排列成复杂的、三层结构的微观结构，肉眼无法看见。“果冻非常柔软，粉笔一敲就碎成无数块，”Buehler 说。“但如果你以正确的方式混合它们……你可以创造出一种非常非常坚韧的东西，它甚至可以与工程装甲材料相媲美。”
Buehler 说，在 3D 打印技术出现之前，研究人员不可能在物理上重现这些微小而复杂的结构。但他和他的同事们能够打印出模仿贝壳独特结构的材料薄片，这些薄片由一种刚性聚合物和另一种更柔软的聚合物制成。
他打印出的材料薄片比真实的要简单。“我们去掉了大自然发明的一些细节，”Buehler 说。“我们发现这很重要。”与鱼鳞类似，结构越接近天然装甲，性能就越好。在跌落试验中，海螺状的聚合物碎片更难破碎，该试验模拟子弹等物体的穿透。该设计很有前景，因为它既能抵抗开裂，又能消散撞击的能量。
为了制造实际的装甲，研究人员可能会用陶瓷或碳纤维取代聚合物。通过将其排列成海螺状结构，我们可以改进我们已经依赖的材料。
这些可以用于身体装甲或运动头盔。Buehler 说，如今我们的头盔是相当简单的泡沫和硬壳结构。但是，有了海螺式的设计，头盔可以做得更薄更轻，但仍然具有相同的坚固性，或者可能保持相同的重量但性能更好，Buehler 说。
这种装甲可以根据你的个人体型进行定制。Buehler 说，未来，你或许可以扫描你的头骨，然后计算机将设计一种海螺基装甲或头盔，其形状能够精确匹配你。
然而，大规模生产这些装甲的成本会很高，Buehler 说。另一种可能性是使用实际海螺中发现的简单成分来制造装甲。这可以降低成本，而且可能对环境更友好，但我们需要特殊的 3D 打印机，能够实际操作由这些材料制成的“墨水”，Buehler 说。或者我们可以工程改造微生物来分泌壳材料。也许它们能够制造出比我们的 3D 打印机更接近真实事物的结构。
丝绸之路
蜘蛛并不以拥有重型装甲而闻名。然而，它们的丝必须足够坚韧才能捕捉猎物，或帮助它们从天花板上悬挂下来，或在空中滑行。一根蜘蛛丝的强度足以阻止飞行昆虫，其强度是其自身重量的数万倍。
丝线既坚韧又有弹性，因此能够吸收大量能量。这给了它们相对于合成纤维的优势，比如人造丝和尼龙，它们可以拉伸很多但不够强韧，而像凯夫拉尔这样的纤维则非常坚韧但弹性很小，Kraig Biocraft Laboratories（位于密歇根州安娜堡）的首席运营官 Jon Rice 说。
世界各地的研究人员正在考虑如何制造人造蜘蛛丝并将其纺成防弹背心。美国陆军已经授予了 Kraig 的一项合同，Kraig 正在开发转基因蜘蛛丝，使其比钢铁更坚固。
该公司工程改造蚕，使其携带部分蜘蛛 DNA；这使得这些昆虫能够制造蜘蛛丝蛋白而不是自己的丝。Kraig 正在与宾夕法尼亚州的 Warwick Mills 等公司合作，将蜘蛛丝编织成防护面料。
“没有人愿意拥有一个蜘蛛养殖场——这一个太吓人了，而且效率非常低，”Rice 说。蜘蛛是食肉动物，所以不能在狭小的空间里饲养。此外，我们已经从蚕身上采摘丝绸已有数千年了，我们知道它们是专注的小丝绸制造商。事实上，它们身体的百分之四十都用于丝腺。
Kraig 的“龙丝”单根纤维只有 4 到 10 微米宽——比头发还细。Rice 说，它目前的强度约为凯夫拉尔的五分之三，弹性是凯夫拉尔的 10 倍。由这种“蜘蛛”丝制成的服装将透气、可生物降解，并且对人体皮肤温和。Rice 说，而且它比我们今天使用的装甲更轻、密度更低，因此佩戴者不会感到负担过重。
今天的身体装甲通常包含硬质陶瓷板；Kraig 的蜘蛛丝装甲旨在吸收能量，同时也足够有弹性，可以弯曲并允许佩戴者移动。今年晚些时候，该公司将向美国陆军交付龙丝样品包，美国陆军将对其进行测试，希望能制造出防弹背心和毯子，以保护人们在爆炸中免受伤害。这种丝绸还可以用于防针套或高端运动服装。“幸运的是，需要穿身体装甲的人非常少，但我们中有很多人在跑步和锻炼，”Rice 说。龙丝甚至可能渗透到医学领域；古罗马人成功地使用蜘蛛丝来缝合伤口，他指出。
他表示，最终，龙丝的生产成本可能与其他防护材料相当。该公司还创造了几种不同设计的仿生蜘蛛丝；他们可以对其进行调整，使其更具弹性或更强，Rice 说。这意味着他们可以制造出比天然蜘蛛丝更强的材料。“以自然为起点并不意味着要定义我们最终的终点，”Rice 说。
