蛋壳仿生结构或成航天器防护新方案

2007年，一块太空碎片以类似子弹的速度击穿了美国"奋进号"航天飞机散热板上的一个孔洞。尽管航天飞机项目已于2011年终止，但随着越来越多的卫星星座、太空望远镜和航天器被送入轨道，太空碎片问题却愈发严峻。正因如此，中国科学家们受蛋壳启发，研发出一种新型铝制材料，他们认为这种材料能够更好地抵御碎片碎屑的撞击。这项研究成果发表在《应用物理学杂志》上。

蛋壳因其独特的力学性能长期以来吸引着科学家们的关注。举例来说，众所周知，要敲破一个鸡蛋，只需对蛋的中心部位施加恰到好处的力量，就能实现干净利落的破裂，而不会使蛋壳完全粉碎。2012年，麻省理工学院机械工程师佩德罗·雷斯合作发表了一篇论文，阐明了鸡蛋的椭圆形几何结构与其刚度之间的关联——刚度是预测物体在破裂前能承受多大力量的关键因素。（正如我当时为Slate撰文所述，刚度与强度相关但并不相同。如果一个蛋壳存在细微裂纹而另一个没有，两个蛋壳的强度会不同——有裂纹的更容易破裂——但刚度可能相同。）

雷斯开始研究蛋壳，源于一次颇受欢迎的物理演示实验：在装满鸡蛋的箱子上行走却不将其踩碎。他了解到，关键在于让鸡蛋的窄端（最抗裂的部位）朝上排列，然后小心地放置双脚，将体重分散到整个表面区域。这样可以确保没有任何一个鸡蛋承受过大的负荷。虽然敲破一个鸡蛋大约需要5.5磅的力，但这还取决于施力的方向，以及力量在蛋壳表面的分布情况。

上世纪五六十年代，航空航天工业发现蛋壳的抗碎裂特性，是分析飞机金属外壳失效研究的有用模型。这种抗裂性源于其结构，与牙釉质或贝壳的结构相似。蛋壳主要由嵌入蛋白质基质中的碳酸钙晶体构成，内部还有一层薄薄的胶原蛋白膜进一步加固。正因如此，蛋壳被称为"大自然的完美包装"。

另一个广受欢迎的演示实验是经典的"扔鸡蛋挑战"，学生们需要想办法从一定高度扔下鸡蛋而不将其打碎。长期以来的假设一直是：垂直方向扔鸡蛋效果最佳，这与雷斯2012年的研究结果相符。

但今年早些时候，雷斯在麻省理工学院的同事塔尔·科恩——她所在的系每年负责组织麻省理工学院的扔鸡蛋挑战赛——决定验证这一假设。研究团队发现，在能量吸收是关键因素的情况下（比如扔鸡蛋这种场景），水平放置的鸡蛋能吸收更多能量，在相同的受力下能被压缩得更多。他们的后续实验证实了这一点：从相同高度落下时，水平放置的鸡蛋比垂直放置的鸡蛋破裂率更低。

太空中的蛋壳应用

由此可见，蛋壳物理学十分复杂，科学家们仍在不断学习新知识，并为这些发现寻找新的应用场景——例如抵御太空碎片的防护应用。美国国家航空航天局2021年的一份报告估计，近地轨道上有约3.4万块大于10厘米的碎片，约90万块1至10厘米之间的碎片，以及约1.28亿块小于1厘米的碎片。由于这些碎片能达到极高的速度，即便是最小的碎片颗粒也可能对航天器造成损害。

航天器通常通过某种形式的惠普尔防护罩来抵御碎片撞击，这种防护罩配有薄薄的外层缓冲结构，缓冲层与航天器舱壁之间留有间隙。缓冲结构的作用是击碎来袭的碎片颗粒，将撞击能量分散到舱壁更大的面积上。数十年来，惠普尔防护罩已经历了多次迭代，包括采用多层缓冲结构的设计，或在坚硬层之间填充填充物的设计（即"填充式"惠普尔防护罩）。

这篇最新论文的作者们希望提升惠普尔防护罩的抗撞击能力。他们提出了一种设计方案，在概念上与在鸡蛋箱上行走的技巧类似，借鉴了蛋壳有利的几何形状和生物力学特性。研究团队通过3D打印制作了三种不同的铝制设计方案：纯铝板、夹在铝板之间的充水铝球、以及充水的蛋壳状结构。他们通过多次模拟测算高速撞击情况，以确定抗撞击性能最佳的设计方案，并对3D打印阵列进行了轻气炮实验。

结果表明，充水的蛋壳形阵列效果最好，能够承受高负荷，并将弹丸速度降低近65%。而单纯使用铝板只能将速度降低51%。水填充物在耗散撞击能量方面发挥了重要作用，其在蛋壳内部晃动能防止撞击波的进一步传播。

研究人员还测试了不同的蛋壳排列方式，发现最有效的配置是将鸡蛋竖直放置，窄端朝上与顶部铝板接触。虽然还需要更多实验来完善设计并提升材料的能量吸收能力，但这些初步结果已经颇具前景。

"单个蛋壳在局部受力时很容易破裂，但蛋壳阵列的防护机制则完全不同，"论文合著者、大连理工大学的王雨欣说道。"这些蛋壳单元的协同变形，能将局部撞击负荷转化为整个超材料结构上的分布式能量耗散，从而显著提升目标板材的抗撞击性能。我们希望这项研究能引起更多人对仿生防护结构的关注。"

《应用物理学杂志》，2026年。DOI: 10.1063/5.0324502（关于DOI）。

Q&A

Q1：蛋壳仿生结构在航天器防护中能起到什么作用？

A：研究人员发现，充水的蛋壳形铝制阵列结构能将撞击弹丸的速度降低近65%，相比之下单纯铝板仅能降低51%，这种结构可以增强惠普尔防护罩抵御太空碎片撞击的能力。

Q2：为什么蛋壳能够抵抗撞击而不轻易破碎？

A：蛋壳的抗裂性源于其独特结构，主要由嵌入蛋白质基质中的碳酸钙晶体构成，并有薄薄的胶原蛋白膜进一步加固，这种结构与牙釉质、贝壳类似，因此被称为"大自然的完美包装"。

Q3：太空碎片对航天器有多大威胁？

A：美国国家航空航天局2021年报告估计，近地轨道上约有3.4万块大于10厘米的碎片，约90万块1至10厘米的碎片，以及约1.28亿块小于1厘米的碎片，由于速度极高，即使是最小的碎片也可能对航天器造成损害。