【大紀元2021年03月24日訊】（大紀元記者袁世鋼台灣台北報導）材料科學與工程發展迄今面臨難以兼具輕量化、高強度與高韌性等許多瓶頸，如，而如何有效連接不同材料仍是困難的挑戰。清華大學材料科學工程學系教授陳柏宇指出，師法自然可啟發更輕、更強韌的仿生材料，但如何找出可行的最佳化結構設計，AI的角色就很關鍵。

陳柏宇獲國際頂尖期刊《自然》(Nature)邀請，從材料科學工程的觀點，撰寫科普性的新知評論，介紹美國加州大學爾灣分校與普渡大學團隊對惡魔鐵鎧甲蟲（Diabolical Ironclad Beetle）超耐壓外殼所做的研究。陳柏宇表示，堅硬的外殼讓它幾乎沒有天敵，踩不扁、捏不碎、大頭針也無法刺穿、被汽車輾過還能存活，可承受其體重3.9萬倍的壓力。

惡魔鐵鎧甲蟲的外殼其實不含鐵或礦物質，和其他昆蟲一樣由幾丁質和蛋白質所組成，而牠的超抗壓能力源自2種關鍵的結構設計。第一，具有功能梯度的側向支撐，前段緊密契合可保護重要的內臟器官；而中段和後段在受壓時可產生局部或大幅度的變形，有助鑽進石縫躲藏或樹皮間隙中覓食。

其次，拼圖狀的榫接結構將翅鞘緊密相連，其層狀的微結構受力時，層與層間可形成微小裂縫，造成體積膨脹，使突起與凹槽扣鎖得更緊密，大幅提升韌性與可靠度。陳柏宇說，這項發現有望解決不同材料的接合處因應力集中於較窄的頸部，造成脆性斷裂而提早失效的問題，可應用於航太、機械工程、建築等領域。

陳柏宇表示，有別於人造材料的性質常取決於材料選擇，生物材料最擅長的是「結構設計」，常用的策略則是「減法」和「乘法」，能高效運用有限的材料達到輕量化，並藉由不同尺度結構間的增韌機制大幅提升功能性；不過，由於複雜的多階層結構使仿生材料製程困難度極高，因此如何找出關鍵可行的最佳化結構設計，人工智慧扮演重要的角色。

科技部表示，陳柏宇帶領的跨領域研究團隊也正在執行相關研究計畫，包含整合多階層結構分析、機械性質量測、多尺度模擬、人工智慧、機器學習、3D列印與功能驗證等，有系統的研究多種兼具優異機械性質的生物材料，如由楓香果實啟發，設計超輕量、高強度的孔洞材料；由甲蟲外殼啟發，開發耐衝擊、高能量吸收的螺旋梯度結構等。◇

責任編輯：王愉悅