许多现代创新都可以追溯到对我们周围自然世界的适应，但将自然界的原理应用到现实世界中并不完全是一回事。维可牢尼龙搭扣来自植物的毛刺，风力涡轮机基于鲸鱼鳍，夜间帮助我们导航的道路反射镜可以追溯到猫眼的反射特性。
图 1太阳甲虫
最近，工程师们将注意力转向了太阳甲虫（Pachnoda marginata）独特的钟形翅膀结构。由于其有两个可区分的层——钟形的上层和几乎笔直的下层——翅膀在拉伸和向上弯曲时很坚硬，但在压缩和向下弯曲时很灵活。（图 1）
这一关于甲虫后翅膜在飞行过程中如何变形的发现，使伦敦南岸大学工程学院能够开发出一种单向铰链设计，该设计在相当大的尺寸范围内具有仿生适用性。仿生材料是复制自然生物物体的合成材料。由于它们是人造的，这些材料设计需要测试。
新型铰链设计起飞
受昆虫启发的铰链概念正在许多行业中进行探索，包括可以轻松组装和拆卸的模块化设计、自适应无气轮胎的设计以及泊松比为零的超材料，其中材料的压缩行为由接头控制，因为材料不会因轴向应变而横向变形。
该大学工程学院机械工程与设计讲师 Hamed Rajabi 解释说：“通过在计算模型中系统地改变其设计参数，我们表明双层膜铰链的特性可以在很宽的范围内进行调整。这使我们能够开发出广阔的设计空间，我们后来将其用于模型选择。”
“我们在三个不同的应用中使用了选定的模型，这证明了双层铰链是一种简单而有效的设计策略，可以使用单一材料控制结构的机械响应，而无需额外的质量。”（图 2）
图 2 基于模型的设计表明，双层膜铰链特性可在广泛范围内进行调整，以便在广泛的设计空间中进行应用开发
工程新材料
为了确保这些基于模型的各种场景具有实际适用性，Rajabi 采用了配备 Tinius Olsen 500N 称重传感器的万能试验机 (UTM)，不仅可以执行所需的拉伸和压缩测试，还可以与 Hamed 及其团队开发的定制设置结合使用。
坚固的 1ST 配备各种不同容量的称重传感器，可提供精确的施加负载测量，专为材料和组件的拉伸、压缩、弯曲和剪切强度测试而设计。它可以处理从最小的测试样本到满负荷机器的场景。
“Tinius Olsen 对这个项目的支持令人难以置信。在选择正确的测试机、称重传感器和配件方面提供的全面帮助和支持非常宝贵。他们的支持人员随时可以回答我们的任何问题，全天指导 1ST 和 Horizon 软件特别有帮助，并开发了我们需要的所有测试协议。如果没有公司的投入，我们肯定不会取得这项研究的成果，”Rajabi 指出。
对于模块化设计，双层膜铰链进行了三点弯曲测试，并在两个相反方向上以 1 毫米/秒的恒定速度受到 10 毫米的位移。
无气轮胎和超材料都进行了压缩测试，无气轮胎设计在两个平板之间以 1 毫米/秒的恒定速度受到 20 毫米的位移，而超材料在两个平板之间以 1 毫米/秒的增量位移受到最大约 500N 的力。（图 3）。
图 3事实证明，设计的材料测试对于确保工程概念的安全性、可靠性和有效性至关重要
适当的测试场景
压缩测试测量材料在承受压缩载荷时的基本变量，包括应力、应变和变形，以帮助确定该材料的行为或响应。目标是确定材料是否适用于特定应用，或者在特定应力下是否会失效。
拉伸强度是材料断裂或永久变形时的应力，在测试结构应用或机械设计中使用的材料时很常见。通常，夹紧的样品会受到恒定速率的拉伸载荷，使其拉伸并最终断裂。
在设计将要推向市场的新材料时，这些是确保可靠性和安全性以及提高成本效率的关键参数。了解初始新概念的预期结果将有助于工程师进一步进行产品开发和技术创新。
Rajabi 解释说：“这种生物单向铰链为设计和开发工程结构提供了生物识别灵感，这些结构对施加在不同方向上的相等力表现出不对称响应。这尤其有趣，因为双层膜提供了一种简单、廉价的方法来制造单向铰链，而不会增加质量。”
但这个鼓舞人心的概念能在现实世界中实现吗？使用 Tinius Olsen 材料测试系统获得的数据和见解不仅可以帮助工程师了解新设计材料的局限性，还可以帮助他们了解新设计材料的可能性。结果使新创新得以进一步应用，例如铰链甲虫翼的情况。
“在这个特定例子中，铰链是双层膜类型，它依赖于可逆薄板屈曲。通过真实规模的计算模拟和放大的物理建模，证实了这种双层膜可以充当单向铰链。”
材料测试加强创新
我们的现代世界依靠通过创新实现的工程技术运行，但长期以来，人们一直依靠材料测试来实现这些概念。实现超越假设的设计进步需要可靠的分析和经过验证的测试方法，以确保产品的可靠性、消费者安全和长期收益。
Useful links
