仿犰狳裝甲設計！研究團隊開發可自動捲曲的防護外殼模組，保護軟性機器人與無人機

大自然的裝甲智慧：從犰狳到軟性機器人防護

大自然花了數百萬年打造出犰狳——這種全身覆蓋鱗甲的哺乳動物。如今，材料科學家僅憑3D列印機、銀奈米線和高強度紙材，便在實驗室中成功複製了牠的防護外殼。

來自北卡羅萊納州立大學（NC State University）的研究團隊打造了一款「機器犰狳」外皮，正式名稱為「形態互鎖防護模組」（Morpho-Interlocking Protective Module, MIPM）。這項技術最大的亮點在於：它能感應危險並即時捲曲成堅硬的防護殼體，堪稱專為保護下一代精密脆弱科技裝置所設計的動態裝甲。

該校機械與航太工程學系特聘教授 Yong Zhu 表示：「軟性機器人和柔性電子領域近年來有了長足的發展，但這些裝置通常也十分脆弱。我們的目標是開發一種解決方案，既能讓這些脆弱的技術正常運作，又能在必要時提供保護。」

精密的多層工程結構

這項防護技術的精髓在於其多層設計架構，能在柔軟與堅硬之間自如切換。

模組採用三層結構設計：

• 外骨骼層：由3D列印樹脂鱗片組成
• 中間感測與驅動層：由嵌入銀奈米線的彈性聚合物應變感測器、導電織物加熱器、液晶彈性體（liquid-crystal elastomer）以及 Kapton 膠帶組成
• 內骨骼層：利用摺紙結構的紙質脊部來容納互鎖聚合物鱗片

運作原理

當整合式應變感測器偵測到威脅——無論是輕微擠壓還是突然衝擊——它會向控制單元發出訊號，啟動內部加熱層供電。

加熱後會引發一場「分子拔河」：一側的液晶彈性體收縮，另一側的 Kapton 膠帶膨脹。這種同步運動迫使整個結構向內捲曲，將自身包覆成防護圓環，3D列印的樹脂鱗片朝外排列。

然而，單純的捲曲不足以抵擋重擊。當模組彎曲時，附著在摺紙內骨骼上的一系列剛性聚合物鱗片會緊密互鎖。這種互鎖機制將柔軟的彎曲材料轉化為高剛性的內部骨架，具備優異的力量吸收能力。

測試成果與應用前景

在測試中，系統成功偵測應變並觸發防護殼體的變形。研究團隊發現，增加內骨骼中分段鱗片的數量，可提升結構的整體剛性和強度。

Zhu 教授指出：「透過力學引導設計，我們建立了內骨骼分段與結構輕量化之間的權衡關係。舉例來說，10片分段鱗片能夠承受約10牛頓的力。」

該系統可依據不同威脅等級進行調整。研究人員建立了精確的數學模型，在鱗片數量與裝置重量之間取得平衡，允許根據承載需求客製化裝甲防護。

該校博士後研究員、論文第一作者 Jianyu Zhou 表示：「我們預見這項技術可用於保護多種物件——基本上任何它能夠環繞包覆的東西都適用。」

從在狹窄岩縫中穿梭的搜救無人機，到植入人體活動關節的柔性醫療裝置，潛在應用範圍極為廣泛。

北卡羅萊納州立大學團隊目前正積極尋求商業合作夥伴，希望將這款機器犰狳技術從實驗室推向實際應用。

該研究成果已於5月27日發表在國際期刊《Science Advances》上。

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