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Source publication: Nature Communications
Source Word count: 257 words
Translation for: UCSD Extension Program
Source text: English
Bioinspired design of flexible armor based on chiton scales
Abstract
Man-made armors often rely on rigid structures for mechanical protection, which typically results in a trade-off with flexibility and maneuverability. Chitons, a group of marine mollusks, evolved scaled armors that address similar challenges. Many chiton species possess hundreds of small, mineralized scales arrayed on the soft girdle that surrounds their overlapping shell plates. Ensuring both flexibility for locomotion and protection of the underlying soft body, the scaled girdle is an excellent model for multifunctional armor design. Here we conduct a systematic study of the material composition, nanomechanical properties, three-dimensional geometry, and interspecific structural diversity of chiton girdle scales. Moreover, inspired by the tessellated organization of chiton scales, we fabricate a synthetic flexible scaled armor analogue using parametric computational modeling and multi-material 3D printing. This approach allows us to conduct a quantitative evaluation of our chiton-inspired armor to assess its orientation-dependent flexibility and protection capabilities.
Introduction
A primary function of biological armors is to provide mechanical protection from the surrounding environment, including attacks from potential predators. Over millions of years, a variety of forms of biological armors have evolved, ranging from the hard shells of mollusks to the thick helmet-like skulls of the pachycephalosaurids. Many of these biological armors are often multifunctional, simultaneously offering mechanical protection and performing other functional roles such as hydrodynamic drag reduction, coloration or optical sensing, chemo- or mechano-sensing, and vision. Flexibility, however, is a more challenging function to pair with protection, since most biological armors are based on rigid and hard armor plates.
Diseño bioinspirado de armadura flexible basada en escamas de quitón
Resumen
Las armaduras artificiales a menudo se basan en estructuras rígidas para la protección mecánica, lo que generalmente implica un compromiso con la flexibilidad y la maniobrabilidad. Los quitones, un grupo de moluscos marinos, desarrollaron armaduras con escamas que abordan desafíos similares. Muchas especies de quitones poseen cientos de pequeñas escamas mineralizadas dispuestas sobre el manto que rodea las placas superpuestas de su concha. La manta escalada es un modelo excelente para el diseño de armaduras multifuncionales, garantizando la flexibilidad tanto para la locomoción como la protección del cuerpo blando subyacente. Aquí llevamos a cabo un estudio sistemático de la composición del material, las propiedades nano mecánicas, la geometría tridimensional y la diversidad estructural interespecífica de las escamas de la manta del quitón. Además, inspirados en la organización teselada de las escamas de quitón, fabricamos una armadura símil flexible de escamas sintéticas utilizando un modelo computacional paramétrico e impresión 3D de múltiples materiales. Este enfoque nos permite realizar una evaluación cuantitativa de nuestra armadura inspirada en el quitón para evaluar su flexibilidad dependiente de la orientación y sus capacidades de protección.
Introducción
Una función principal de las armaduras biológicas es proporcionar protección mecánica del entorno que los rodea, incluidos los ataques de posibles depredadores. A lo largo de millones de años, han evolucionado una variedad de formas de armaduras biológicas, que van desde las duras conchas de los moluscos, hasta los gruesos cráneos en forma de casco de los paquicefalosáuridos. Muchas de estas armaduras biológicas son a menudo multifuncionales, ofreciendo simultáneamente protección mecánica y desempeñando otras funciones funcionales, como la reducción de la resistencia hidrodinámica, detección de coloración u óptica, detección química o mecánica, y la visión. Sin embargo, la flexibilidad es una función más difícil de combinar con la protección, ya que la mayoría de las armaduras biológicas se basan en placas de armadura rígidas y duras.
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