生物盔甲及仿生鳞片状柔性防护装具研究进展

朱德举 ，王丹 ，杨俊杰

［1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室（湖南大学），湖南 长沙 410082］

现代防护装具飞速发展，防护性能大幅度提升，但是防护性能的提高通常伴随着质量的增加以及柔性的降低［1-2］，轻量化的柔性防护装具的研发成为目前研究的热点［3］.为了获得柔性与防护两者兼备的特种装具，研究人员从自然界获得了很多灵感［4-5］.天然生物盔甲因具备优越的综合性能而引起广泛关注.将生物盔甲的组成结构与保护机制应用于防护装具的设计，有望研发出具备良好防护性能与穿戴舒适性的柔性装具，为新型防护装具的设计提供新思路［6-7］.

生物盔甲经过长期且严苛的自然筛选，进化出各种形状以及结构形式，复杂多变的生物盔甲结构为生物在自然界中的生存提供了优异的防护性能.同时，生物盔甲良好的柔韧变形能力，保证了生物在遇到危险时行动的灵活性［8］.昆虫等生物的肢体具有高韧性、高强度和结构多变等特点［9］.鱼鳞片的覆瓦状排布为鱼类提供了良好的灵活性.哺乳动物犰狳体表覆盖着坚硬骨质鳞片，硬质外壳满足其灵活行动以及防护的双重需求.通过不同的排布方式所形成的鳞片盔甲，满足了动物抵抗外界攻击、保护自我的需求.生物盔甲呈现出独特的防护机制，其综合了硬防护系统与软防护系统的优点［1，9］.借鉴生物盔甲的结构与组成，仿生防护装具能够兼备良好的柔韧性和优异的防护性能.

本文综述了生物盔甲以及仿生防护装具的研究现状，介绍了不同类型的仿生防护装具的防弹性能，展望了今后仿生防护装具研究发展方向.

1 生物盔甲的结构以及力学性能

生物盔甲是由若干鳞片或硬骨皮通过不同形式的叠合排列组合而成.不同物种的盔甲防护机制并不相同，鳞片的材料、形状、排布、几何尺寸对防护效果都有不同的影响［10］.各种各样的生物盔甲在自然演变中逐步进化出不同的防护机制.生物盔甲的多重防护机制，在保证生物灵活行动的同时，还具备优异的防护性能帮助其抵抗外界攻击［11］.如图1 所示，自然界中拥有生物盔甲的动物主要包括：软体动物、哺乳动物（犰狳、穿山甲）、爬行动物（乌龟、鳄鱼）以及各种鱼类［12］.

图1 生物盔甲的分类以及代表性生物Fig.1 Classification of biological armors and representative creatures

生物盔甲的良好防护性能在某种程度上又会制约其灵活性和柔韧性，图2 展示了几种常见生物的鳞片尺寸.其中，蝴蝶翅膀的鳞片尺寸最小，具有很高的变形灵活性，但其抵御外界攻击的能力最低.如何协调好防护装具的防护性能与可变形性之间的矛盾关系，成为现阶段的研究热点.如犰狳、鱼类等外表皮鳞片尺寸既保证了动物本身活动的灵活性，又可帮助其抵抗自然界捕食者的攻击.目前对于生物盔甲的研究主要集中于两类：硬质盔甲与软质盔甲，生物软质盔甲的研究主要应用于人体防护领域.

图2 常见生物的鳞片尺寸（单位：m）Fig.2 The scale size of common animals（unit：m）

1.1 鱼鳞盔甲和犰狳盔甲

鱼鳞是鳞片类软质生物盔甲极具代表性的一种.鱼鳞通过嵌入鱼皮纤维组织中，有序排列形成天然盔甲［13］.Ikoma等［14］发现红鲈鱼鱼皮底层是高弹性真皮层，表皮是薄而硬的鳞片，鳞片嵌入真皮层口袋.由于柔软的弹性真皮层的支撑作用，鱼皮具有良好的变形能力.当弯曲变形时，鱼皮表面的口袋作为鳞片的弹性支撑，为其提供平面外旋转的抵抗力［15］.鳞片的弹性模量比真皮的弹性模量大几个数量级，具有很强的抗穿透能力［16］.张俊杰等［16］发现鲤鱼鳞片在脱钙过程中钙化层溶解变薄，经过盐酸处理后鱼鳞片的力学性质发生很大改变，强度大大降低.说明以羟基磷灰石为主要成分的鳞片硬质层为鱼鳞坚韧的性能作出了重要的贡献.鱼鳞鳞片厚度较小，保证了其较低的弯曲刚度和面密度，使整个鱼鳞盔甲兼顾优良的灵活性与防护性能.鳞片的周期排列可以通过鳞片形状、几何尺寸和排列方式来表征［17］.鱼鳞片可分为4 种：楯鳞、栉鳞、圆鳞和硬鳞，不同鱼鳞片的叠加模式存在差异，如图3 所示.不同类型的鱼鳞片满足不同鱼类的生存需求，如鲨鱼鳞片可以有效地减小鲨鱼在水中的阻力［11］.虽然不同鱼鳞片尺寸会有很大差异，但其排列方式表现出相当的一致性［15］.

图3 鱼鳞片的分类和排布方式Fig.3 Classification and arrangement of fish scales

汪静等［17］观测了鱼鳞片表面微观结构，对比分析了大黄鱼和鲈鱼鳞片不同区域的鳞嵴间距.汪久根等［18］基于对鱼鳞减阻原理的分析，提出针对不同黏度介质中的运动物体应采用相应的减阻表面设计.Zhu等［19］对4种鱼类的表皮形态以及鳞片结构进行了研究分析，发现鳞片的表皮形态、微观结构、骨质层与胶原层的厚度比及其多级结构密切相关.如图4 所示，淡水鱼鳞片的表面形态相似，其上部和右部条纹相近.深海鱼的鳞片表面条纹更加密集，细小颗粒在中心位置分布更加均匀.不同鱼类的鳞片结构相似，都是由硬质的骨质层与软质的胶原层组成.图5为4种鱼类鳞片的多级结构.鱼鳞片胶原层由胶原蛋白纤维螺旋排列组成，不同位置的鱼鳞片骨质层与胶原层的厚度不同，变化规律与鱼类所在水域有明显相关性.虽然淡水鱼和深海鱼各部位鳞片的骨质层与胶原层厚度呈现出不同的规律，但是两类鱼的骨质层与胶原层厚度均在鱼身中部位置达到最大值，由中部向边缘厚度逐渐减小.

图4 4种鱼类鳞片的表面形态［19］Fig.4 Surface morphology of scales from four fish species［19］

图5 4种鱼类鳞片的多级结构［19］Fig.5 Hierarchical structures of scales from four fish species ［19］

相比于鱼鳞片的覆瓦状叠加的排布方式，犰狳作为哺乳动物，其外部骨皮盔甲由多边形硬质鳞片平面拼接组成，通过胶原蛋白纤维的连接与全身各部位进行黏合.这种兼具良好的柔性与优异的防护性能的盔甲提高了犰狳的生存能力［20］.如图6 所示，犰狳外骨皮盔甲主要分为5 个部分：头部、胸部、背部（带状部分）、骨盆和尾部.犰狳的骨皮主要分为2种形态：即带状骨片所组成的背部盔甲以及多边形骨片组成的胸部和骨盆盔甲.骨盆部位的骨皮由4层结构组成（图7）：表皮、乳突状真皮、网状真皮以及皮下软组织［21-22］.犰狳骨皮的鳞片（多为六边形）富含钙，鳞片交接处为蛋白质纤维.蛋白质纤维的支撑连接作用提高了犰狳盔甲的整体性以及柔性［20-21］.

图6 犰狳外骨皮生物盔甲的组成［9］Fig.6 The composition of armadillo outer skin biological armor［9］

图7 犰狳的骨皮横切面［9，21］Fig.7 Cross-section of armadillo skin section ［9，21］

1.2 生物盔甲力学性能的研究

1.2.1 拉伸、弯曲和断裂性能

Zhu 等［19］对4 种鱼类不同部位的鳞片进行了单轴拉伸试验（图8），探究了水域因素对鱼鳞片力学性能的影响，阐明了不同部位鱼鳞片力学性能的差异（图9）.不同鱼鳞片的拉伸性能、韧性、弹性模量与其所在位置有关.深水鱼鳞的拉伸性能要好于淡水鱼鳞.鱼鳞片的韧性随部位的变化规律同鱼类所处海域有关.从鱼头部至尾部，金鲫鳞片的韧性逐渐降低，弹性模量值也逐渐降低.刘鹏等［23］进一步对草鱼鳞片进行了轴向拉伸测试，具体分析了含水量以及应变率对鱼鳞片力学性能的影响.Chen 等［21］从犰狳外骨皮盔甲的不同部位割取相同尺寸的试样进行单轴拉伸试验，并与其他食肉生物盔甲进行了对比，分析了犰狳外骨皮的含水量对其力学性能的影响，发现润湿的犰狳盔甲比干燥的具有更好的拉伸性能.

图8 鱼鳞片的选取部位与试样尺寸［19］Fig.8 Different regions on fish body for selecting fish scales and sample size ［19］

图9 4种鱼类不同部位鳞片的力学性能［19］Fig.9 Mechanical properties of scales from different parts of four fish species ［19］

Currey［24］发现部分鱼鳞片具有很高的韧性，即使浸入液态氮也不会发生断裂.Bruet等［25］研究了塞内加尔多鳍鱼的鳞片结构，发现其鳞片能够起到非常有效的保护作用，主要与鳞片多层结构的组成物质力学性能、厚度和几何构成等因素有关.在集中荷载作用下，层间会出现径向表面裂纹，各层之间有正交微裂纹出现.Yang 等［26］对饱水和风干状态的鳄雀鳝鳞片进行压缩和三点弯曲测试.结果表明，风干鳞片的裂纹沿胶原纤维层扩展；饱水鳞片的矿化层和胶原蛋白纤维相互连接，阻碍了裂纹扩展.塞内加尔多鳍鱼鳞片的力学性能为各向异性，利用同步加速X 射线扫描重构得到了清晰的裂纹扩展路径.发现在饱水状态下，裂纹扩展接近直线，而脱水状态下，裂纹呈曲线.

Funk 等［5］基于红鲻鱼的鳞片结构制备了仿生鱼皮，并研究了平面内变形、弯曲和压痕变形过程中的力学响应.通过实验与模型分析结合的方法，阐明了其独特性能的关键机制，提供了设计仿生鱼皮的规则.Marino 等［27］通过单轴拉伸试验得到了不同位置鲤鱼鳞片的力学性能，并阐明了含水率对鲤鱼鳞片力学性能的影响.Allison 等［28］研究了饱水状态下鳄雀鳝鳞片的断裂行为.研究发现，鳞片的破坏是由于微层之间发生滑移，胶原纤维发生断裂和拔出.Zimmermann 等［29］采用小角射线散射技术（Small Angle X-ray Scattering，SAXS）研究了巨骨舌鱼鳞片胶原纤维微层的叠加角度.在拉伸荷载作用下，大部分胶原纤维微层朝着受拉轴方向发生偏转和拉伸变形，而其他胶原纤维微层会偏离受拉轴方向并发生压缩变形，从而提高鳞片的延性和韧性.

Vernerey 等［30］建立了二维微观力学模型来解释宏观层面上鳞片结构的弯曲变形与鳞片几何尺寸和力学性能的关系.Vernerey 等［31］基于鱼鳞片的叠加周期性建立了有限元模型，模拟结果表明，多鳞片结构具有各向异性，其纵向的初始抗弯刚度较低，随着弯曲曲率的增加，纵向抗弯刚度逐渐升高.鱼鳞盔甲的纵向抗弯刚度与鳞片和真皮组织的连接刚度有很大关系.

1.2.2 抗穿刺和抗冲击/侵彻性能

为了探究生物盔甲的保护机制，研究者采用穿刺实验和有限元模拟对其防护性能进行了较深入的研究.Meyers等［32］发现巨骨舌鱼鳞片外层高度钙化，拥有很强的防护能力；胶原内层使得鳞片破坏之前能够承受很大的变形，具有很好的韧性.利用水虎鱼牙齿对巨骨舌鱼鳞片进行穿刺实验，发现在鳞片被侵入前，水虎鱼牙齿已开裂.Zhu 等［33-34］对鲈鱼鳞片使用尖锐物进行了穿刺测试，发现鱼鳞片的抗穿刺性能优于聚苯乙烯和聚碳酸酯.White等［35］基于硬骨鱼皮肤结构制备了仿生鳞片，研究分析了鳞片表面形态、鳞片间摩擦力和表皮覆盖度等生物学相关参数对鳞片穿透阻力的影响，结果表明，鳞片的表面形貌包含环带与棱状结构，这种不规则结构越多，鳞片间的摩擦系数越大，进而片层整体嵌锁强度越高.Vernerey 等［30］根据鱼鳞结构的形状和排布，建立了仿鱼鳞结构的微观力学模型，模拟了在抗穿刺或弯曲时鱼鳞片之间的相互作用，阐明了鱼鳞结构的弯曲响应，并发现其对于特定的微尺度特征表现出应变硬化.Allison 等［28］研究了短吻鳄的矿化鳞片化学成分的空间分布和力学性能.通过微压痕试验，研究鳞片在冲击载荷和穿透载荷作用下的裂纹形态和损伤部位，探讨鱼鳞盔甲的防护机理.Chandler 等［36］建立了鳄鱼鳞片与长尾鲨鳞片的有限元模型，研究其多层结构在侵彻荷载作用下的力学响应.两种鳞片都具有外层硬内层软的结构，在微纳米压痕测试中两种鳞片呈现出不同的断裂路径和破坏模式，这是由于两种鳞片的层间结构不同，软硬层厚度比和层间界面性能存在差异.

综上所述，生物鳞甲结构可以兼顾软硬两种防护方式的优势，形成了灵活变形的防护结构.生物鳞甲结构的能量耗散机制启发了研发人员设计与制备新型防护装具.目前针对生物盔甲力学性能以及其防护机理的相关研究，已为仿生柔性防护装具奠定了理论基础.通过对生物鳞片的实验研究，掌握了其抗侵彻的基本规律和防护机理.研究者借鉴生物鳞片的多级结构，有望研发出同时具有良好防护性能与柔韧性的新型防护装具.

2 仿生防护装具的设计研究

仿生防护装具的设计研究，可划分为鳞片类仿生结构与拓扑联锁类仿生结构两类.将动物盔甲的多层次防护结构进行优化设计，所制备的仿生防护装具展现出优异综合性能.仿生防护装具的研究方式主要为：弹道试验、有限元模拟以及解析模型计算.仿生防护结构研究路线示意图如图10［37］所示.弹道试验结果具有直观性、可靠性，因此弹道试验是研究各类防护装具、防护结构防弹性能的基本研究方式.在弹道试验的基础上，对防护装具力学性能以及防护结构进行模拟分析，可以进一步分析仿生防护装具的损伤方式、应力扩散以及破坏过程等.新科学技术的诞生，如3D 打印技术，为特殊结构的构建提供新的研究方法和技术途径.

图10 仿生防护结构研究路线示意图［37］Fig.10 Schematic diagram of research route of biomimetic protection structures ［37］

2.1 鳞片类仿生结构力学性能研究

复杂多样的生物鳞片可通过3D 打印技术制作相关模型，研究生物盔甲的力学性能与防护机制.Martini 等［38］使用3D 打印技术制作了不同几何形状和排列方式的仿生鳞片（图11），对丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS）的仿生鳞片进行穿刺测试和弯曲测试，分析模型的抗穿刺阻力特征.结果表明，抗穿刺性与柔韧性呈反相关.简单平铺的排列方式可以获得最优的柔韧性，但是抗穿刺性能极弱.相比之下，具有拓扑复杂排列方式的模型，具备优异的抗穿刺性能，但柔韧性相对较低.仿硬骨鱼鳞片的模型可以兼具抗穿刺阻力和弯曲柔性.Rudykh 等［39］利用3D 打印技术制作了硬/软材料组合的仿生多层结构，发现复合结构的柔韧性与防护性能可以通过几何参数进行调整，并且引入了“保护柔度”指标来表征抗穿刺性能与柔韧性.Song［40］采用3D 打印技术对两种鱼类鳞片装甲模型进行了研究，对鱼鳞片的力学性能与微观结构进行了分析.Martini 等［41］基于鱼鳞盔甲制备了覆有硬质陶瓷的柔性结构，采用拉伸和释放的制备方法有效地控制了鳞片的重叠程度.与单纯的硅胶层相比，复合鳞甲的抗穿刺性提高了10 倍.氧化铝鳞甲结构相比其他结构能承受更大的冲击力，最终失效方式呈现脆性特征，这是软基体硬防护的典型特征［42］.Martini等［43］发现靶鳞片与相邻鳞片发生偏转和一定程度的旋转，这与鳞片的几何尺寸和排列方式有关，与上述Rudykh 等［39］的研究分析相似.综上所述，可以通过改变鳞片的几何形状和排列方式等方法，通过鳞片间的相互作用机制来提高鳞片的稳定性，进而提升其防护性能.

图11 3D打印制备的不同形状和排列方式的仿生鳞片结构［38］Fig.11 Biomimetic scale structures with different shapes and arrangements prepared by 3D printing ［38］

2.2 拓扑联锁类仿生结构研究

拓扑联锁结构作为一种致密结构，最早应用于建筑圆顶结构，其在刚度、韧性等力学性能方面表现出优异的性能［44］.拓扑联锁材料在结构上为不规则块体自由镶嵌组合，可以承受振动并有效地消散振动能量［45］.因此，拓扑联锁结构常被应用于大跨度建筑物中.拓扑联锁结构通过特殊形状的块体进行平面排列拼接，块体间避免使用连接器，块体间通过摩擦阻力避免相对滑动，采用整体外围约束将整个拓扑联锁结构进行固定［46-47］.拓扑互锁结构中的断裂模式为裂纹扩展，且裂纹尺寸大于块体尺寸.块体连接边界能够有效阻止裂纹扩展，从而提高整体断裂韧性［48-49］.基于龟壳骨段之间的拓扑联接原理，Estrin等［50］制作了不规则四面体的互锁块（图12），通过几何互锁增加仿生锁块的刚度，四面体拓扑互锁组件与海龟骨段的几何互锁类似.在垂直于某一层的方向上，拓扑互锁结构的刚度和承载能力可以通过横向约束的大小来控制［50］.Khandelwal 等［51］受蜂窝启发制备了类似六边形单元组件进行拓扑搭接，并通过落锤试验测试了脆性基材拓扑构件（Topological Interlocking Material，TIM）力学性能.试验证明，与传统材料相比，TIM 具有优越力学性能，其强度和韧性之间存在正相关性［51］.骨骼等天然结构材料表现出优越的刚度、强度和韧性，这是由于其内部交错排列的微薄片平行排列并部分重叠，层间被软质的有机物黏合.

图12 仿龟壳骨段的四面体互锁块［50］Fig.12 Tetrahedral interlocking blocks of imitated tortoise shell bone segment ［50］

仿生拓扑互锁结构具有更稳定的裂纹扩展，增大了整体的断裂韧性和损伤极限.基于连续介质方法的模型能够模拟某些典型生物材料的微观力学行为，但无法揭示其更小尺度的断裂破坏机理［52-54］.

3 仿生柔性躯干防护装具的研究进展

针对不同的危险等级，防护装具的性能常用两种标准进行评价，分别为我国《军用防弹衣安全技术性能要求》（GJB 4300A―2012）标准和国际上通常采用的BallisticResistance of BodyArmor（NIJ Standard―0101.06）标准.我国标准采用3 个防护等级：第Ⅰ和第Ⅱ级为防破片和手枪弹侵彻，第Ⅲ级为防穿甲燃烧弹.NIJ 标准采用5 级防护标准，最高等级为防穿甲燃烧弹.防护装具防弹性能指标主要评价其抗侵彻性能和凹陷深度大小.图13 为现代防护装具的分类以及人体各部位适用的防护装具类型.软质防护装具拥有较好柔性，但防护性能较差；硬质防护装具的防护能力更好，但是无法变形.新型防护装具应兼备良好的柔韧性和防弹性能［55］.

图13 防护装具分类［55］Fig.13 Classification of protective equipments［55］

国内外研究学者对天然仿生防护体系的力学原理和优化设计准则进行了研究，采用仿生原理将鳞片盔甲设计逐步应用至现代防护装具.尖峰装甲公司开发的柔性防护装具“Dragon Skin”［56］由芳纶纤维布与鳞状圆形陶瓷组成（图14）.美国陆军和尖峰装甲公司对于Dragon Skin 的防护性能持有不同意见.仿生防护装具是一个令人感兴趣的领域，它将对个体防护的综合表现产生重要影响.通过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护机制，从而启发人们研发出高性能的防护装具.表1列出了各类仿生盔甲的研究现状.

表1 各类仿生盔甲的研究现状Tab.1 Research status of various biomimetic armors

图14 龙鳞甲防护盔甲［56］Fig.14 Dragon Skin protective armor ［56］

Miranda 等［57］采用模拟破片对Al2O3仿生鳞片进行抗侵彻分析，评估鳞片几何尺寸和侵彻条件（破片直径、初速度和侵彻位置）对仿生鳞片的损伤程度和破片残余速度的影响.研究表明，破片侵彻鳞片边缘时的破坏效果要比侵彻鳞片中心位置明显.对多种形状的仿生鳞片模拟结果进行分析比较，六边形仿生鳞片具备最佳防护性能.Hu 等［58］选用穿甲弹对SiC/UHMWPE 复合防护装甲系统进行防弹性能试验，阐述了SiC 和UHMWPE 复合装甲的抗侵彻过程及机理.试验结果表明，UHMWPE 层可以为SiC面板提供良好的缓冲作用，SiC 陶瓷几何尺寸对防护装甲的防弹性能产生较大的影响.Connors 等［59］基于石鳖外壳生物装甲的防护原理，系统研究了石鳖外壳的材料组成、力学性质和三维几何结构等.建立了仿生防护装甲有限元模型，并利用3D 打印技术制备了防护装甲样件，评估了其防护性能和柔韧性.Zhang等［60］基于硬骨鱼鳞片的双层结构（高矿化骨层和胶原纤维层）及其叠加模式，设计一种新型防护装具.新型防护装具采用具有超高分子量聚乙烯基层的硬质陶瓷层，通过弹道冲击试验与数值分析模拟，研究鳞片重叠角度、摩擦系数、凯夫拉纤维布层数以及防弹陶瓷种类对防护性能的影响.结果表明，试验与数值模拟吻合度较高，该新型防护装具具有优异的防护性能.其防护性能随鳞片重叠角度的增大而增大，鳞片最优重叠角度为80°；鳞片间的摩擦系数和垫层的凯夫拉纤维布层数对装具抗侵彻性能的影响较小.

目前，仿生柔性躯干防护装具的研发仍处于发展阶段，朱德举等［61］借鉴工程结构设计基本单元的思想提出柔性结构仿生元素理念，发现仿鱼鳞功能梯度板具有柔韧性及刚度软化特性，并阐述了仿生柔性结构的设计方法，包括模仿设计、组合设计以及选择匹配设计.朱德举等［62］借鉴犰狳鳞片的排列方式，采用六边形复合鳞片（SiC/UHMWPE）制备了柔性防护插板，如图15 所示.采用手枪弹（铅芯和钢芯）进行弹道试验，结果表明该新型柔性防弹插板可以有效抵挡手枪弹，并具备较好的柔性.受鱼鳞片的启发，基于仿生结构设计原理，朱德举等［63-66］设计制备出鱼鳞片状躯干防护装具，如图16 所示.仿生鳞片呈现圆形结构，中间凸起呈饼状，鳞片的外层为硬质SiC 陶瓷，内层采用软质超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维，发现仿生鳞片的最优覆盖角度为80°，最优圆弧半径为289.5 mm，防护装具可有效抵御破片侵彻［64］.为满足更高防护标准，基于仿鱼鳞片设计方法，分别采用SiC 与Al2O3陶瓷制备复合鳞片并进行手枪弹［65］和穿甲燃烧弹侵彻实验［66］.分析陶瓷材料、覆盖角度以及子弹侵彻位置对其防弹性能的影响.结果表明，新型防护装具可以有效抵挡手枪弹的侵彻，覆盖角度与陶瓷破坏区域范围成正比.

图15 仿犰狳盔甲柔性防护插板［62］Fig.15 Flexible protective insert plate inspired by armadillo body armor ［62］

图16 仿鱼鳞片的柔性躯干防护装具设计［62-66］Fig.16 Design of flexible torso protective gear inspired by fish scale［62-66］

朱德举等［66］采用ANSYS 有限元软件建立了不同曲度的防护装具模型，并模拟了穿甲弹的侵彻过程，如图17 所示.分析了该柔性防护装具的变形、应力传递规律和能量耗散，重点讨论了鳞片支撑点数量、鳞片曲率半径以及覆盖角度对其防护性能的影响.结果表明，支撑点数量显著影响柔性防护装具的防弹性能；鳞片的覆盖角度与装具防护能力呈正相关；在多发子弹侵彻时，由于鳞片的滑移与偏转，其防护能力逐渐降低.Huang 等［67］开展了仿人骨装甲防护结构的建模分析和实验验证，研制出了“软-硬-软-硬”模式的装甲.在高速弹道冲击荷载下，仿人骨结构的装甲防护结构材料具有有效减少冲击载荷传递等方面的优势.

图17 SiC-UHMWPE防弹插板的有限元模型［66］Fig.17 Finite element models of SiC-UHMWPE bullet-proof inserts［66］

综上所述，基于生物盔甲所设计制备的仿生防护装具设计优化及防弹性能表明：仿生鳞片盔甲设计是防护装具兼具柔性与防护性能的重要前提.仿生防护装具的性能主要取决于所选用的组成材料，而柔韧性更多取决于组成结构（比如，排列叠加模式等）.

4 结束语

仿生柔性防护装具摒弃了传统防护装甲重量大、不易变形等缺点，突破了防护装甲柔韧性与防护性能不能兼顾的弊端，进一步推动了现代防护装具相关技术的发展.基于对仿生防护装具研究进展的梳理归纳，主要结论和展望如下：

1）生物鳞甲结构可以兼顾软、硬两种设计的优势，形成灵活可变形的柔性防护结构.典型生物材料的多级结构和能量耗散防护机制，为柔性防护装具的设计提供了新思路.

2）通过改变防护装具的鳞片材料或者几何形状和排列方式，在拓扑互锁效应下，可通过鳞片间的相互作用来提高鳞片的稳定性与装具的抗冲击性能.仿生防护装具的性能主要取决于其组成材料和结构，而柔韧性更多取决于其鳞片状结构的排列模式.模块化仿生盔甲设计方法使防护装具同时具有优异的防护性能与柔韧性成为可能.

3）仿生材料与盔甲结构的优化设计可大幅度提升防护装具的性能和柔性.将生物梯度材料设计方法应用到仿生盔甲结构，进一步提升仿生防护装具的综合性能仍是亟待研究的重要内容.

4）目前对仿生防护装具的设计制备方法以及损伤机理有了较多的研究，但是仿生防护装具的性能还远没有到达实用要求，尤其是如何有效降低人体的钝挫伤，仍亟待解决.仿生防护插板可以有效保护人体躯干部分，但是四肢部位仍缺乏有效防护，针对全身防护装具的设计与集成的仿生研究亟待开展.

5）目前仿生防护装具的应用主要集中于单兵防护领域，防护装具应对新型武器、恶劣环境等具备较好的防护功能和适应性.防护装具应向多功能化、集成化发展，尽可能阻挡各种威胁和伤害.传统防护装具朝着舒适化、人性化、高性能和智能化等方向发展势在必行，让防护装具在实践中充分发挥效能，不断提高作战人员的综合效能.