生物盔甲及仿生鱗片狀柔性防護裝具研究進展

朱德舉 ，王丹 ，楊俊杰

［1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082；2.綠色先進土木工程材料及應用技術湖南省重點實驗室（湖南大學），湖南 長沙 410082］

現代防護裝具飛速發展，防護性能大幅度提升，但是防護性能的提高通常伴隨著質量的增加以及柔性的降低［1-2］，輕量化的柔性防護裝具的研發成為目前研究的熱點［3］.為了獲得柔性與防護兩者兼備的特種裝具，研究人員從自然界獲得了很多靈感［4-5］.天然生物盔甲因具備優越的綜合性能而引起廣泛關注.將生物盔甲的組成結構與保護機制應用于防護裝具的設計，有望研發出具備良好防護性能與穿戴舒適性的柔性裝具，為新型防護裝具的設計提供新思路［6-7］.

生物盔甲經過長期且嚴苛的自然篩選，進化出各種形狀以及結構形式，復雜多變的生物盔甲結構為生物在自然界中的生存提供了優異的防護性能.同時，生物盔甲良好的柔韌變形能力，保證了生物在遇到危險時行動的靈活性［8］.昆蟲等生物的肢體具有高韌性、高強度和結構多變等特點［9］.魚鱗片的覆瓦狀排布為魚類提供了良好的靈活性.哺乳動物犰狳體表覆蓋著堅硬骨質鱗片，硬質外殼滿足其靈活行動以及防護的雙重需求.通過不同的排布方式所形成的鱗片盔甲，滿足了動物抵抗外界攻擊、保護自我的需求.生物盔甲呈現出獨特的防護機制，其綜合了硬防護系統與軟防護系統的優點［1，9］.借鑒生物盔甲的結構與組成，仿生防護裝具能夠兼備良好的柔韌性和優異的防護性能.

本文綜述了生物盔甲以及仿生防護裝具的研究現狀，介紹了不同類型的仿生防護裝具的防彈性能，展望了今后仿生防護裝具研究發展方向.

1 生物盔甲的結構以及力學性能

生物盔甲是由若干鱗片或硬骨皮通過不同形式的疊合排列組合而成.不同物種的盔甲防護機制并不相同，鱗片的材料、形狀、排布、幾何尺寸對防護效果都有不同的影響［10］.各種各樣的生物盔甲在自然演變中逐步進化出不同的防護機制.生物盔甲的多重防護機制，在保證生物靈活行動的同時，還具備優異的防護性能幫助其抵抗外界攻擊［11］.如圖1 所示，自然界中擁有生物盔甲的動物主要包括：軟體動物、哺乳動物（犰狳、穿山甲）、爬行動物（烏龜、鱷魚）以及各種魚類［12］.

圖1 生物盔甲的分類以及代表性生物Fig.1 Classification of biological armors and representative creatures

生物盔甲的良好防護性能在某種程度上又會制約其靈活性和柔韌性，圖2 展示了幾種常見生物的鱗片尺寸.其中，蝴蝶翅膀的鱗片尺寸最小，具有很高的變形靈活性，但其抵御外界攻擊的能力最低.如何協調好防護裝具的防護性能與可變形性之間的矛盾關系，成為現階段的研究熱點.如犰狳、魚類等外表皮鱗片尺寸既保證了動物本身活動的靈活性，又可幫助其抵抗自然界捕食者的攻擊.目前對于生物盔甲的研究主要集中于兩類：硬質盔甲與軟質盔甲，生物軟質盔甲的研究主要應用于人體防護領域.

圖2 常見生物的鱗片尺寸（單位：m）Fig.2 The scale size of common animals（unit：m）

1.1 魚鱗盔甲和犰狳盔甲

魚鱗是鱗片類軟質生物盔甲極具代表性的一種.魚鱗通過嵌入魚皮纖維組織中，有序排列形成天然盔甲［13］.Ikoma等［14］發現紅鱸魚魚皮底層是高彈性真皮層，表皮是薄而硬的鱗片，鱗片嵌入真皮層口袋.由于柔軟的彈性真皮層的支撐作用，魚皮具有良好的變形能力.當彎曲變形時，魚皮表面的口袋作為鱗片的彈性支撐，為其提供平面外旋轉的抵抗力［15］.鱗片的彈性模量比真皮的彈性模量大幾個數量級，具有很強的抗穿透能力［16］.張俊杰等［16］發現鯉魚鱗片在脫鈣過程中鈣化層溶解變薄，經過鹽酸處理后魚鱗片的力學性質發生很大改變，強度大大降低.說明以羥基磷灰石為主要成分的鱗片硬質層為魚鱗堅韌的性能作出了重要的貢獻.魚鱗鱗片厚度較小，保證了其較低的彎曲剛度和面密度，使整個魚鱗盔甲兼顧優良的靈活性與防護性能.鱗片的周期排列可以通過鱗片形狀、幾何尺寸和排列方式來表征［17］.魚鱗片可分為4 種：楯鱗、櫛鱗、圓鱗和硬鱗，不同魚鱗片的疊加模式存在差異，如圖3 所示.不同類型的魚鱗片滿足不同魚類的生存需求，如鯊魚鱗片可以有效地減小鯊魚在水中的阻力［11］.雖然不同魚鱗片尺寸會有很大差異，但其排列方式表現出相當的一致性［15］.

圖3 魚鱗片的分類和排布方式Fig.3 Classification and arrangement of fish scales

汪靜等［17］觀測了魚鱗片表面微觀結構，對比分析了大黃魚和鱸魚鱗片不同區域的鱗嵴間距.汪久根等［18］基于對魚鱗減阻原理的分析，提出針對不同黏度介質中的運動物體應采用相應的減阻表面設計.Zhu等［19］對4種魚類的表皮形態以及鱗片結構進行了研究分析，發現鱗片的表皮形態、微觀結構、骨質層與膠原層的厚度比及其多級結構密切相關.如圖4 所示，淡水魚鱗片的表面形態相似，其上部和右部條紋相近.深海魚的鱗片表面條紋更加密集，細小顆粒在中心位置分布更加均勻.不同魚類的鱗片結構相似，都是由硬質的骨質層與軟質的膠原層組成.圖5為4種魚類鱗片的多級結構.魚鱗片膠原層由膠原蛋白纖維螺旋排列組成，不同位置的魚鱗片骨質層與膠原層的厚度不同，變化規律與魚類所在水域有明顯相關性.雖然淡水魚和深海魚各部位鱗片的骨質層與膠原層厚度呈現出不同的規律，但是兩類魚的骨質層與膠原層厚度均在魚身中部位置達到最大值，由中部向邊緣厚度逐漸減小.

圖4 4種魚類鱗片的表面形態［19］Fig.4 Surface morphology of scales from four fish species［19］

圖5 4種魚類鱗片的多級結構［19］Fig.5 Hierarchical structures of scales from four fish species ［19］

相比于魚鱗片的覆瓦狀疊加的排布方式，犰狳作為哺乳動物，其外部骨皮盔甲由多邊形硬質鱗片平面拼接組成，通過膠原蛋白纖維的連接與全身各部位進行黏合.這種兼具良好的柔性與優異的防護性能的盔甲提高了犰狳的生存能力［20］.如圖6 所示，犰狳外骨皮盔甲主要分為5 個部分：頭部、胸部、背部（帶狀部分）、骨盆和尾部.犰狳的骨皮主要分為2種形態：即帶狀骨片所組成的背部盔甲以及多邊形骨片組成的胸部和骨盆盔甲.骨盆部位的骨皮由4層結構組成（圖7）：表皮、乳突狀真皮、網狀真皮以及皮下軟組織［21-22］.犰狳骨皮的鱗片（多為六邊形）富含鈣，鱗片交接處為蛋白質纖維.蛋白質纖維的支撐連接作用提高了犰狳盔甲的整體性以及柔性［20-21］.

圖6 犰狳外骨皮生物盔甲的組成［9］Fig.6 The composition of armadillo outer skin biological armor［9］

圖7 犰狳的骨皮橫切面［9，21］Fig.7 Cross-section of armadillo skin section ［9，21］

1.2 生物盔甲力學性能的研究

1.2.1 拉伸、彎曲和斷裂性能

Zhu 等［19］對4 種魚類不同部位的鱗片進行了單軸拉伸試驗（圖8），探究了水域因素對魚鱗片力學性能的影響，闡明了不同部位魚鱗片力學性能的差異（圖9）.不同魚鱗片的拉伸性能、韌性、彈性模量與其所在位置有關.深水魚鱗的拉伸性能要好于淡水魚鱗.魚鱗片的韌性隨部位的變化規律同魚類所處海域有關.從魚頭部至尾部，金鯽鱗片的韌性逐漸降低，彈性模量值也逐漸降低.劉鵬等［23］進一步對草魚鱗片進行了軸向拉伸測試，具體分析了含水量以及應變率對魚鱗片力學性能的影響.Chen 等［21］從犰狳外骨皮盔甲的不同部位割取相同尺寸的試樣進行單軸拉伸試驗，并與其他食肉生物盔甲進行了對比，分析了犰狳外骨皮的含水量對其力學性能的影響，發現潤濕的犰狳盔甲比干燥的具有更好的拉伸性能.

圖8 魚鱗片的選取部位與試樣尺寸［19］Fig.8 Different regions on fish body for selecting fish scales and sample size ［19］

圖9 4種魚類不同部位鱗片的力學性能［19］Fig.9 Mechanical properties of scales from different parts of four fish species ［19］

Currey［24］發現部分魚鱗片具有很高的韌性，即使浸入液態氮也不會發生斷裂.Bruet等［25］研究了塞內加爾多鰭魚的鱗片結構，發現其鱗片能夠起到非常有效的保護作用，主要與鱗片多層結構的組成物質力學性能、厚度和幾何構成等因素有關.在集中荷載作用下，層間會出現徑向表面裂紋，各層之間有正交微裂紋出現.Yang 等［26］對飽水和風干狀態的鱷雀鱔鱗片進行壓縮和三點彎曲測試.結果表明，風干鱗片的裂紋沿膠原纖維層擴展；飽水鱗片的礦化層和膠原蛋白纖維相互連接，阻礙了裂紋擴展.塞內加爾多鰭魚鱗片的力學性能為各向異性，利用同步加速X 射線掃描重構得到了清晰的裂紋擴展路徑.發現在飽水狀態下，裂紋擴展接近直線，而脫水狀態下，裂紋呈曲線.

Funk 等［5］基于紅鯔魚的鱗片結構制備了仿生魚皮，并研究了平面內變形、彎曲和壓痕變形過程中的力學響應.通過實驗與模型分析結合的方法，闡明了其獨特性能的關鍵機制，提供了設計仿生魚皮的規則.Marino 等［27］通過單軸拉伸試驗得到了不同位置鯉魚鱗片的力學性能，并闡明了含水率對鯉魚鱗片力學性能的影響.Allison 等［28］研究了飽水狀態下鱷雀鱔鱗片的斷裂行為.研究發現，鱗片的破壞是由于微層之間發生滑移，膠原纖維發生斷裂和拔出.Zimmermann 等［29］采用小角射線散射技術（Small Angle X-ray Scattering，SAXS）研究了巨骨舌魚鱗片膠原纖維微層的疊加角度.在拉伸荷載作用下，大部分膠原纖維微層朝著受拉軸方向發生偏轉和拉伸變形，而其他膠原纖維微層會偏離受拉軸方向并發生壓縮變形，從而提高鱗片的延性和韌性.

Vernerey 等［30］建立了二維微觀力學模型來解釋宏觀層面上鱗片結構的彎曲變形與鱗片幾何尺寸和力學性能的關系.Vernerey 等［31］基于魚鱗片的疊加周期性建立了有限元模型，模擬結果表明，多鱗片結構具有各向異性，其縱向的初始抗彎剛度較低，隨著彎曲曲率的增加，縱向抗彎剛度逐漸升高.魚鱗盔甲的縱向抗彎剛度與鱗片和真皮組織的連接剛度有很大關系.

1.2.2 抗穿刺和抗沖擊/侵徹性能

為了探究生物盔甲的保護機制，研究者采用穿刺實驗和有限元模擬對其防護性能進行了較深入的研究.Meyers等［32］發現巨骨舌魚鱗片外層高度鈣化，擁有很強的防護能力；膠原內層使得鱗片破壞之前能夠承受很大的變形，具有很好的韌性.利用水虎魚牙齒對巨骨舌魚鱗片進行穿刺實驗，發現在鱗片被侵入前，水虎魚牙齒已開裂.Zhu 等［33-34］對鱸魚鱗片使用尖銳物進行了穿刺測試，發現魚鱗片的抗穿刺性能優于聚苯乙烯和聚碳酸酯.White等［35］基于硬骨魚皮膚結構制備了仿生鱗片，研究分析了鱗片表面形態、鱗片間摩擦力和表皮覆蓋度等生物學相關參數對鱗片穿透阻力的影響，結果表明，鱗片的表面形貌包含環帶與棱狀結構，這種不規則結構越多，鱗片間的摩擦系數越大，進而片層整體嵌鎖強度越高.Vernerey 等［30］根據魚鱗結構的形狀和排布，建立了仿魚鱗結構的微觀力學模型，模擬了在抗穿刺或彎曲時魚鱗片之間的相互作用，闡明了魚鱗結構的彎曲響應，并發現其對于特定的微尺度特征表現出應變硬化.Allison 等［28］研究了短吻鱷的礦化鱗片化學成分的空間分布和力學性能.通過微壓痕試驗，研究鱗片在沖擊載荷和穿透載荷作用下的裂紋形態和損傷部位，探討魚鱗盔甲的防護機理.Chandler 等［36］建立了鱷魚鱗片與長尾鯊鱗片的有限元模型，研究其多層結構在侵徹荷載作用下的力學響應.兩種鱗片都具有外層硬內層軟的結構，在微納米壓痕測試中兩種鱗片呈現出不同的斷裂路徑和破壞模式，這是由于兩種鱗片的層間結構不同，軟硬層厚度比和層間界面性能存在差異.

綜上所述，生物鱗甲結構可以兼顧軟硬兩種防護方式的優勢，形成了靈活變形的防護結構.生物鱗甲結構的能量耗散機制啟發了研發人員設計與制備新型防護裝具.目前針對生物盔甲力學性能以及其防護機理的相關研究，已為仿生柔性防護裝具奠定了理論基礎.通過對生物鱗片的實驗研究，掌握了其抗侵徹的基本規律和防護機理.研究者借鑒生物鱗片的多級結構，有望研發出同時具有良好防護性能與柔韌性的新型防護裝具.

2 仿生防護裝具的設計研究

仿生防護裝具的設計研究，可劃分為鱗片類仿生結構與拓撲聯鎖類仿生結構兩類.將動物盔甲的多層次防護結構進行優化設計，所制備的仿生防護裝具展現出優異綜合性能.仿生防護裝具的研究方式主要為：彈道試驗、有限元模擬以及解析模型計算.仿生防護結構研究路線示意圖如圖10［37］所示.彈道試驗結果具有直觀性、可靠性，因此彈道試驗是研究各類防護裝具、防護結構防彈性能的基本研究方式.在彈道試驗的基礎上，對防護裝具力學性能以及防護結構進行模擬分析，可以進一步分析仿生防護裝具的損傷方式、應力擴散以及破壞過程等.新科學技術的誕生，如3D 打印技術，為特殊結構的構建提供新的研究方法和技術途徑.

圖10 仿生防護結構研究路線示意圖［37］Fig.10 Schematic diagram of research route of biomimetic protection structures ［37］

2.1 鱗片類仿生結構力學性能研究

復雜多樣的生物鱗片可通過3D 打印技術制作相關模型，研究生物盔甲的力學性能與防護機制.Martini 等［38］使用3D 打印技術制作了不同幾何形狀和排列方式的仿生鱗片（圖11），對丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS）的仿生鱗片進行穿刺測試和彎曲測試，分析模型的抗穿刺阻力特征.結果表明，抗穿刺性與柔韌性呈反相關.簡單平鋪的排列方式可以獲得最優的柔韌性，但是抗穿刺性能極弱.相比之下，具有拓撲復雜排列方式的模型，具備優異的抗穿刺性能，但柔韌性相對較低.仿硬骨魚鱗片的模型可以兼具抗穿刺阻力和彎曲柔性.Rudykh 等［39］利用3D 打印技術制作了硬/軟材料組合的仿生多層結構，發現復合結構的柔韌性與防護性能可以通過幾何參數進行調整，并且引入了“保護柔度”指標來表征抗穿刺性能與柔韌性.Song［40］采用3D 打印技術對兩種魚類鱗片裝甲模型進行了研究，對魚鱗片的力學性能與微觀結構進行了分析.Martini 等［41］基于魚鱗盔甲制備了覆有硬質陶瓷的柔性結構，采用拉伸和釋放的制備方法有效地控制了鱗片的重疊程度.與單純的硅膠層相比，復合鱗甲的抗穿刺性提高了10 倍.氧化鋁鱗甲結構相比其他結構能承受更大的沖擊力，最終失效方式呈現脆性特征，這是軟基體硬防護的典型特征［42］.Martini等［43］發現靶鱗片與相鄰鱗片發生偏轉和一定程度的旋轉，這與鱗片的幾何尺寸和排列方式有關，與上述Rudykh 等［39］的研究分析相似.綜上所述，可以通過改變鱗片的幾何形狀和排列方式等方法，通過鱗片間的相互作用機制來提高鱗片的穩定性，進而提升其防護性能.

圖11 3D打印制備的不同形狀和排列方式的仿生鱗片結構［38］Fig.11 Biomimetic scale structures with different shapes and arrangements prepared by 3D printing ［38］

2.2 拓撲聯鎖類仿生結構研究

拓撲聯鎖結構作為一種致密結構，最早應用于建筑圓頂結構，其在剛度、韌性等力學性能方面表現出優異的性能［44］.拓撲聯鎖材料在結構上為不規則塊體自由鑲嵌組合，可以承受振動并有效地消散振動能量［45］.因此，拓撲聯鎖結構常被應用于大跨度建筑物中.拓撲聯鎖結構通過特殊形狀的塊體進行平面排列拼接，塊體間避免使用連接器，塊體間通過摩擦阻力避免相對滑動，采用整體外圍約束將整個拓撲聯鎖結構進行固定［46-47］.拓撲互鎖結構中的斷裂模式為裂紋擴展，且裂紋尺寸大于塊體尺寸.塊體連接邊界能夠有效阻止裂紋擴展，從而提高整體斷裂韌性［48-49］.基于龜殼骨段之間的拓撲聯接原理，Estrin等［50］制作了不規則四面體的互鎖塊（圖12），通過幾何互鎖增加仿生鎖塊的剛度，四面體拓撲互鎖組件與海龜骨段的幾何互鎖類似.在垂直于某一層的方向上，拓撲互鎖結構的剛度和承載能力可以通過橫向約束的大小來控制［50］.Khandelwal 等［51］受蜂窩啟發制備了類似六邊形單元組件進行拓撲搭接，并通過落錘試驗測試了脆性基材拓撲構件（Topological Interlocking Material，TIM）力學性能.試驗證明，與傳統材料相比，TIM 具有優越力學性能，其強度和韌性之間存在正相關性［51］.骨骼等天然結構材料表現出優越的剛度、強度和韌性，這是由于其內部交錯排列的微薄片平行排列并部分重疊，層間被軟質的有機物黏合.

圖12 仿龜殼骨段的四面體互鎖塊［50］Fig.12 Tetrahedral interlocking blocks of imitated tortoise shell bone segment ［50］

仿生拓撲互鎖結構具有更穩定的裂紋擴展，增大了整體的斷裂韌性和損傷極限.基于連續介質方法的模型能夠模擬某些典型生物材料的微觀力學行為，但無法揭示其更小尺度的斷裂破壞機理［52-54］.

3 仿生柔性軀干防護裝具的研究進展

針對不同的危險等級，防護裝具的性能常用兩種標準進行評價，分別為我國《軍用防彈衣安全技術性能要求》（GJB 4300A―2012）標準和國際上通常采用的BallisticResistance of BodyArmor（NIJ Standard―0101.06）標準.我國標準采用3 個防護等級：第Ⅰ和第Ⅱ級為防破片和手槍彈侵徹，第Ⅲ級為防穿甲燃燒彈.NIJ 標準采用5 級防護標準，最高等級為防穿甲燃燒彈.防護裝具防彈性能指標主要評價其抗侵徹性能和凹陷深度大小.圖13 為現代防護裝具的分類以及人體各部位適用的防護裝具類型.軟質防護裝具擁有較好柔性，但防護性能較差；硬質防護裝具的防護能力更好，但是無法變形.新型防護裝具應兼備良好的柔韌性和防彈性能［55］.

圖13 防護裝具分類［55］Fig.13 Classification of protective equipments［55］

國內外研究學者對天然仿生防護體系的力學原理和優化設計準則進行了研究，采用仿生原理將鱗片盔甲設計逐步應用至現代防護裝具.尖峰裝甲公司開發的柔性防護裝具“Dragon Skin”［56］由芳綸纖維布與鱗狀圓形陶瓷組成（圖14）.美國陸軍和尖峰裝甲公司對于Dragon Skin 的防護性能持有不同意見.仿生防護裝具是一個令人感興趣的領域，它將對個體防護的綜合表現產生重要影響.通過采取有效的研究手段，可以更好地理解自然界中典型生物的防護機制，從而啟發人們研發出高性能的防護裝具.表1列出了各類仿生盔甲的研究現狀.

表1 各類仿生盔甲的研究現狀Tab.1 Research status of various biomimetic armors

圖14 龍鱗甲防護盔甲［56］Fig.14 Dragon Skin protective armor ［56］

Miranda 等［57］采用模擬破片對Al2O3仿生鱗片進行抗侵徹分析，評估鱗片幾何尺寸和侵徹條件（破片直徑、初速度和侵徹位置）對仿生鱗片的損傷程度和破片殘余速度的影響.研究表明，破片侵徹鱗片邊緣時的破壞效果要比侵徹鱗片中心位置明顯.對多種形狀的仿生鱗片模擬結果進行分析比較，六邊形仿生鱗片具備最佳防護性能.Hu 等［58］選用穿甲彈對SiC/UHMWPE 復合防護裝甲系統進行防彈性能試驗，闡述了SiC 和UHMWPE 復合裝甲的抗侵徹過程及機理.試驗結果表明，UHMWPE 層可以為SiC面板提供良好的緩沖作用，SiC 陶瓷幾何尺寸對防護裝甲的防彈性能產生較大的影響.Connors 等［59］基于石鱉外殼生物裝甲的防護原理，系統研究了石鱉外殼的材料組成、力學性質和三維幾何結構等.建立了仿生防護裝甲有限元模型，并利用3D 打印技術制備了防護裝甲樣件，評估了其防護性能和柔韌性.Zhang等［60］基于硬骨魚鱗片的雙層結構（高礦化骨層和膠原纖維層）及其疊加模式，設計一種新型防護裝具.新型防護裝具采用具有超高分子量聚乙烯基層的硬質陶瓷層，通過彈道沖擊試驗與數值分析模擬，研究鱗片重疊角度、摩擦系數、凱夫拉纖維布層數以及防彈陶瓷種類對防護性能的影響.結果表明，試驗與數值模擬吻合度較高，該新型防護裝具具有優異的防護性能.其防護性能隨鱗片重疊角度的增大而增大，鱗片最優重疊角度為80°；鱗片間的摩擦系數和墊層的凱夫拉纖維布層數對裝具抗侵徹性能的影響較小.

目前，仿生柔性軀干防護裝具的研發仍處于發展階段，朱德舉等［61］借鑒工程結構設計基本單元的思想提出柔性結構仿生元素理念，發現仿魚鱗功能梯度板具有柔韌性及剛度軟化特性，并闡述了仿生柔性結構的設計方法，包括模仿設計、組合設計以及選擇匹配設計.朱德舉等［62］借鑒犰狳鱗片的排列方式，采用六邊形復合鱗片（SiC/UHMWPE）制備了柔性防護插板，如圖15 所示.采用手槍彈（鉛芯和鋼芯）進行彈道試驗，結果表明該新型柔性防彈插板可以有效抵擋手槍彈，并具備較好的柔性.受魚鱗片的啟發，基于仿生結構設計原理，朱德舉等［63-66］設計制備出魚鱗片狀軀干防護裝具，如圖16 所示.仿生鱗片呈現圓形結構，中間凸起呈餅狀，鱗片的外層為硬質SiC 陶瓷，內層采用軟質超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維，發現仿生鱗片的最優覆蓋角度為80°，最優圓弧半徑為289.5 mm，防護裝具可有效抵御破片侵徹［64］.為滿足更高防護標準，基于仿魚鱗片設計方法，分別采用SiC 與Al2O3陶瓷制備復合鱗片并進行手槍彈［65］和穿甲燃燒彈侵徹實驗［66］.分析陶瓷材料、覆蓋角度以及子彈侵徹位置對其防彈性能的影響.結果表明，新型防護裝具可以有效抵擋手槍彈的侵徹，覆蓋角度與陶瓷破壞區域范圍成正比.

圖15 仿犰狳盔甲柔性防護插板［62］Fig.15 Flexible protective insert plate inspired by armadillo body armor ［62］

圖16 仿魚鱗片的柔性軀干防護裝具設計［62-66］Fig.16 Design of flexible torso protective gear inspired by fish scale［62-66］

朱德舉等［66］采用ANSYS 有限元軟件建立了不同曲度的防護裝具模型，并模擬了穿甲彈的侵徹過程，如圖17 所示.分析了該柔性防護裝具的變形、應力傳遞規律和能量耗散，重點討論了鱗片支撐點數量、鱗片曲率半徑以及覆蓋角度對其防護性能的影響.結果表明，支撐點數量顯著影響柔性防護裝具的防彈性能；鱗片的覆蓋角度與裝具防護能力呈正相關；在多發子彈侵徹時，由于鱗片的滑移與偏轉，其防護能力逐漸降低.Huang 等［67］開展了仿人骨裝甲防護結構的建模分析和實驗驗證，研制出了“軟-硬-軟-硬”模式的裝甲.在高速彈道沖擊荷載下，仿人骨結構的裝甲防護結構材料具有有效減少沖擊載荷傳遞等方面的優勢.

圖17 SiC-UHMWPE防彈插板的有限元模型［66］Fig.17 Finite element models of SiC-UHMWPE bullet-proof inserts［66］

綜上所述，基于生物盔甲所設計制備的仿生防護裝具設計優化及防彈性能表明：仿生鱗片盔甲設計是防護裝具兼具柔性與防護性能的重要前提.仿生防護裝具的性能主要取決于所選用的組成材料，而柔韌性更多取決于組成結構（比如，排列疊加模式等）.

4 結束語

仿生柔性防護裝具摒棄了傳統防護裝甲重量大、不易變形等缺點，突破了防護裝甲柔韌性與防護性能不能兼顧的弊端，進一步推動了現代防護裝具相關技術的發展.基于對仿生防護裝具研究進展的梳理歸納，主要結論和展望如下：

1）生物鱗甲結構可以兼顧軟、硬兩種設計的優勢，形成靈活可變形的柔性防護結構.典型生物材料的多級結構和能量耗散防護機制，為柔性防護裝具的設計提供了新思路.

2）通過改變防護裝具的鱗片材料或者幾何形狀和排列方式，在拓撲互鎖效應下，可通過鱗片間的相互作用來提高鱗片的穩定性與裝具的抗沖擊性能.仿生防護裝具的性能主要取決于其組成材料和結構，而柔韌性更多取決于其鱗片狀結構的排列模式.模塊化仿生盔甲設計方法使防護裝具同時具有優異的防護性能與柔韌性成為可能.

3）仿生材料與盔甲結構的優化設計可大幅度提升防護裝具的性能和柔性.將生物梯度材料設計方法應用到仿生盔甲結構，進一步提升仿生防護裝具的綜合性能仍是亟待研究的重要內容.

4）目前對仿生防護裝具的設計制備方法以及損傷機理有了較多的研究，但是仿生防護裝具的性能還遠沒有到達實用要求，尤其是如何有效降低人體的鈍挫傷，仍亟待解決.仿生防護插板可以有效保護人體軀干部分，但是四肢部位仍缺乏有效防護，針對全身防護裝具的設計與集成的仿生研究亟待開展.

5）目前仿生防護裝具的應用主要集中于單兵防護領域，防護裝具應對新型武器、惡劣環境等具備較好的防護功能和適應性.防護裝具應向多功能化、集成化發展，盡可能阻擋各種威脅和傷害.傳統防護裝具朝著舒適化、人性化、高性能和智能化等方向發展勢在必行，讓防護裝具在實踐中充分發揮效能，不斷提高作戰人員的綜合效能.