动物进化的抗冲击策略及其仿生机理研究

邢 运 杨嘉陵

北京航空航天大学, 固体力学研究所, 北京 100191

1 引 言

大自然为设计和制造具有优异力学性能的先进材料和结构提供了丰富的仿生灵感. 其中, 动物通过长期的自然选择, 已进化出许多精巧灵敏的生物结构, 来维持其在不同严厉生存环境下的高效稳定运动, 比如奔跑、跳跃和飞行等. 特别是在进行与生存密切相关的激烈生物活动时, 比如捕食、躲避天敌或自我防御等生物行为, 生物体往往会遭受来自周围复杂环境的碰撞和冲击载荷, 极易对生物外部结构和内部器官造成伤害. 然而, 事实上自然界的动物很少会因为自身的生物活动导致生物结构发生失效或破坏, 这说明生物体都拥有完善的抗冲击策略和防护机制来适应自身处在的恶劣生存环境 (Alexander 2003). 生物体所展现出的优异可靠的抗冲击特性、能量吸收能力以及可重复使用特征引起了越来越多研究者的兴趣 (Alexander 1988, Ha and Lu 2020).

对于动物在生物运动中的冲击力学问题, 早在公元前384−322年, 古希腊哲学家亚里士多德就对人和动物的日常生活运动进行了观察和记录 (郑秀瑗 2002). 随着时间的发展, 实验技术的提升, 科学家们对此问题进行了越来越细致深入地研究, 同时受到了力学、 材料科学和生物学等学科的广泛关注. 早期的动物抗冲击生物力学行为的研究是以人体为研究对象, 对人奔跑和跳跃时的地面反力和运动学参数进行了一系列测量和分析, 结果表明人在奔跑和跳跃……