人工蜘蛛絲比鋼強，仿生蜘蛛網有何絕技？

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2021/12/02 人工蜘蛛絲比鋼強，仿生蜘蛛網有何絕技？

蜘蛛俠電影情節成真！挪威科技大學(NTNU)的研究人員從輕巧而結實的蜘蛛網中，獲得仿生技術的靈感，開發出一種前所未有的韌性、剛度兼具的新型材料，為數位製造業的材料科學寫下新的一章！

蜘蛛絲的強度是鋼的5倍

仿生技術的發想緣起
NTNU的研究人員以模仿蜘蛛網中最堅固的輻條和外緣，創造出一種極具應用潛力的新材料。這種新材料擁有類似橡膠的彈性，因此被稱為彈性體的聚合物，而這種彈性體在1個重複單元中有8個氫鍵的分子，這些氫鍵有助於均勻分佈施加在材料上的壓力，因此能加強材料的耐用性，進而發展出非凡的機械性能。

數位製造中的高科技一直不乏像蜘蛛絲這樣的大自然啟發，以蛇皮的結構研發出的電池、以壁虎尾巴的垂降功能研發的機器人、以沙章魚和植物的特性來研發鑽洞機器人等，都可見仿生技術在科技中佔了很重要的位置。

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剛度與韌性兼備的物質
科學家曾注意到蜘蛛網的輻條和外緣既堅硬又堅韌，但剛度和韌性在工程學中是截然不同的特性，兩者通常是對立的，因為堅硬的材料在變形前可以承受很大的壓力，而堅韌的材料在斷裂前可吸收大量的能量，例如玻璃具剛度，但並不具韌性。

因此，研究人員在新材料裡引進更多的氫鍵，務求做出與蜘蛛絲相同的結構。這種新型彈性材料擁有明顯的硬域和軟域，NTNU研究團隊使用原子力顯微鏡(解析度為幾分之一奈米)來觀察材料的基本結構，並觀察硬區和軟區之間的化學界面。

研究人員使用原子力顯微鏡，觀察出新材料的硬域和軟域之間的界面

研究人員發現除了分佈壓力的8個氫鍵之外，硬域和軟域之間不匹配的剛度，有助於進一步耗散能量，例如鋸齒形的物體會產生一個大斷裂面，並耗散更多的能量，也因此產生更高的韌性。

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橘色代表硬域，可防止裂縫在材料中擴散

柔性電子的未來
除了機械性能外，新材料還具有光學透明性，研究顯示它甚至可以在高於80°C 的溫度下自我修復，如果可以擴大生產規模，這種新材料早晚能用在柔性電子產品上，尤其是容易損壞和破損的可穿戴設備。

現時，這個新材料已申請了專利，但研究人員仍努力為它引進其他更理想的性能，他們還希望將材料的特性擴展到防冰(在低溫下阻止冰塊沾黏)、防污(防止貽貝和藻類等水生生物附著)，如此就能在極端條件下使用，例如北極。

研究人員認為這種材料是一個很好的起點，在功能性方面也激發更多的想法。其實所有的技術都是通過不斷的改良而締造出驚人的效用，就像3D掃描的技術已然成熟後，依然可以再開發出3D環景掃描的技術，更進而發展出虛擬實境(VR)，甚至是元宇宙的高科技技術。

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