论文推荐 | 华中科技大学黄威教授团队：仿生设计与3D打印：一种兼具自适应刚度、吸能及柔性的互锁结构外骨骼

引用论文

Yunchen Fu, Tianqi Liu, Jianqiao Hu, Hengxu Song, Bin Wu, Wei Huang, A bioinspired 3D printed interlocking architected exoskeleton armor with adaptive stiffness, energy absorption and flexibility, Additive Manufacturing Frontiers, 2026, 200344, https://doi.org/10.1016/j.amf.2026.200344.

文章链接：

1研究背景及目的

柔性且坚固的外骨骼装甲在智能制造、军事、医疗、深海探测及救援等领域至关重要。传统由金属部件组装的外骨骼难以兼顾轻量化与柔韧性。自然界中，海马尾部的骨骼能在保持柔韧的同时承受高达自身重量2万倍的压缩力。如何借鉴此类生物结构，利用现代制造技术开发兼具自适应刚度、优异吸能性与良好柔韧性的新型外骨骼装甲，成为该领域亟待解决的关键问题。

2论文亮点

1) 发现海马尾“软组织-硬骨骼”协同自锁新机制：通过原位显微CT观测，首次揭示了海马尾在压缩下借助软组织与硬骨骼协同实现自锁的力学原理，为仿生设计提供了新生物学模型。

2) 提出刚柔一体化3D打印仿生外骨骼结构：受上述机制启发，设计并采用多材料3D打印一体化制造了刚柔结合的柔性外骨骼，实现了传统金属结构难以兼顾的轻量化与柔韧性。

3) 实现压缩诱导的自适应刚度与吸能特性：该结构在压缩过程中刚度随变形增加而提升，可承受自身重量3000倍的载荷，同时保持30%大变形下的结构完整性与优异柔韧性，为深海探测等极端环境应用提供了新方案。

3试验方法

本研究首先对海马尾部结构进行CT表征、准静态压缩、循环压缩与落锤冲击测试，并结合原位CT与SEM观察其变形与损伤特征。基于其结构特点与生物力学机制，设计软硬材料相结合的仿生外骨骼模型，并通过PolyJet多材料3D打印一体成型。对外骨骼模型开展准静态压缩、循环加载及落球冲击试验，评估抗压、抗冲击、抗疲劳与弹性回复性能。同时通过有限元模拟应力分布与变形过程，验证自锁变刚度机理。此外，通过弯曲、扭转与抓取测试，验证了仿生外骨骼的柔性变形能力。

4结论

本研究证实海马尾部的软硬互锁结构可实现压缩诱导自锁变刚度，兼具高比强度、抗冲击与优异柔韧性，为轻量化柔性防护设计提供了生物原型与设计准则。基于多材料3D打印的仿生结构成型工艺，可快速定制复杂构型，具备工程化应用潜力。未来可进一步优化拓扑结构与材料体系，拓展至柔性外骨骼、深海装备防护、人机协作穿戴等领域，或应用于极端环境下的轻量化抗冲击装备开发，展现出重要的工程应用价值与研究前景。

关于团队

作者介绍

黄威，现任职于华中科技大学材料学院，担任教授，博导，并入选国家高层次青年人才项目。主要从事极端环境下的生命、材料与仿生制造研究，其中包括高强韧抗冲击仿生复合材料以及仿生外骨骼智能系统的设计与成形制造等。探索并模仿自然界生物组织与材料（例如骨骼、牙齿、角和蹄等），开发仿生组织工程材料、外骨骼材料与智能防护系统。主要研究成果发表在Nature Materials, PNAS, Advanced Materials, Matter, Advanced Functional Materials, Acta Biomaterialia等国际知名期刊上。曾获得国际先进材料协会科学家奖章，中国青年五四奖章集体等荣誉。

团队研究方向

1)自然界生物材料的多尺度结构与力学

2)高强度抗冲击复合材料的仿生制造工艺与设备

3)生物材料及其低温增材制造方法

4)仿生外骨骼智能系统设计与制造

团队发表文章

1)Zhixiong Wen, Jiaming Zhong*, Congze Pang, Jianqiao Hu, Hengxu Song, & Wei Huang, “Scalable and Rapid Manufacturing of Bioinspired Multilayer Nanocomposite Coatings with Synergistic Impact‐Resistance and Anti‐Corrosion”. Advanced Functional Materials, 2026: e22131.

2)Jinying Xiong, Qian Lu, Zhonghao Liu, Jinxuan Hu, Huatang Cao*, Min Wang*, Wei Huang*. “Bioinspired Hierarchical PEEK and Amorphous Silicon Nitride Composite Coatings on Titanium Alloy Biomedical Implants”. Small, 2025, 2410313.

3)Zheng Zhu, Dandan Gao, Zhuo Huang, Wei Chang, Bin Wu, Kaihao Zhang, Minghan Sun, Hengxu Song, Robert O Ritchie, Tao Wang*, Wei Huang* and Huamin Zhou*. “Cryogenic 3D printing of damage tolerant hierarchical porous ceramics”, International Journal of Extreme Manufacturing, 2025, 7: 045002.

4)Boyuan Feng, Jiaming Zhong, Yunchen Fu, Wen Yang, Zezhou Li, Jiawei Bao, Yangwei Wang, Huamin Zhou, Robert Ritchie*, Xudong Liang*, Wei Huang*. “Energy Absorption Strategy in Biological and Bioinspired Tubular and Lamellar Structure.” Matter, 2025, 8:1-14.

5)Jing Ye, Xingyu Zhou, Zhuo Huang, Xianglin Zhang, Wei Huang*, Bin Wu* and Huamin Zhou*. “Low-temperature-field-assisted fabrication of cross-scale tissue engineering scaffolds”. International Journal of Extreme Manufacturing, 2025, 7: 022011.

6)Taige Hao#, Wei Huang#, Nicolás Guarín-Zapata, Derek Lublin, Yu Chen, Haitao Yu, Loukam Shyamsunder, Pablo Zavattieri, David Kisailus. “Bioinspired SiC/Chitosan Impact Resistant Coatings”. Advanced Functional Materials, 2025, 2417291.

7)Zhuo Huang, Zheng Zhu, Min Liu, Bing Ye, Wei Chang, Helezi Zhou, Xiaodong Guo, Bin Wu*, Wei Huang*. “3D printing of damage-tolerant bone scaffolds with bioinspired hierarchical porous structures”, Journal of the American Ceramic Society, 2025, e20561

8)Songjun Yao, Linsong Tian, Boyuan Feng, Xinyue Zeng, Jinying Xiong, Yunze Gong, Yao Zhang, Luoxin Wang*, Wei Huang*, Huamin Zhou*, “Bioinspired nacre-like CFRP composites with 3D organic mortar networks for synergistic multiscale toughness and impact resistance”.Composites Science and Technology, 2025, 269:111240.

9)Dandan Gao, Zheng Zhu, Wei Huang*, & Tao Wang*. “Bioinspired hierarchical porous ceramics via cryogenic 3D printing: superior energy absorption and strain-rate dependent failure mechanisms”. Ceramics International, 2026.

10)Jiaming Zhong, Zhixiong Wen, Yibo Wu, Hao Luo, Guodong Liu, Jianqiao Hu, Hengxu Song, Tao Wang, Xudong Liang, Helezi Zhou, Wei Huang*, Huamin Zhou*. “A Bioinspired Design of Protective Al2O3/Polyurethane Hierarchical Composite Film Through Layer‐By‐Layer Deposition.” Advanced Science, 2024, 2402940.

责任编辑：李 娜

责任校对： 金 程

审 核： 张 彤

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