裂紋誘導(dǎo)的尖端應(yīng)力

根據(jù)傳統(tǒng)的認(rèn)知，裂紋被視為一種典型的缺陷，因為裂紋的存在會將構(gòu)件體內(nèi)分散的機械能以極高的效率聚集在裂紋尖端納米尺度應(yīng)力場內(nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂失效。

蝎子在億萬年的進(jìn)化過程中，為了能夠在惡劣的自然環(huán)境下生存，已經(jīng)進(jìn)化出了兼顧感知結(jié)構(gòu)（裂紋）安全性與感知功能靈敏性的機制，巧妙地利用了“危險”裂紋尖端應(yīng)力場奇異的能量集中效應(yīng)，在防止原有特定尺寸裂紋結(jié)構(gòu)進(jìn)一步擴(kuò)展的前提下，實現(xiàn)了微弱振動信號的超敏感知。打破了人們對裂紋尖端能量集中效應(yīng)有百害而無一利的認(rèn)知。從能量轉(zhuǎn)化的角度，基于裂紋的超靈敏機械量感受器可以被視為一種高效的機電能量轉(zhuǎn)化微系統(tǒng)

a,b,c圖為其生物電神經(jīng)突起在裂紋尖端的圖像

d,e圖為共聚焦激光掃描顯微鏡對該機械-生物電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的成像

f energy conversion mechanism 

上圖為基于該裂紋結(jié)構(gòu)而組裝的機械應(yīng)力傳感性能

上圖為該器件的組裝方法

由該預(yù)裂紋切口形成的近尖端應(yīng)力場該研究發(fā)現(xiàn)了此裂紋起到了收集機械的積極作用能量而且在受力時沒有產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的破裂，而這種結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域被認(rèn)為是一種結(jié)構(gòu)缺陷。在機械傳感過程中，分散的微小機械能在納米尺度上會聚在抗裂縫尖端處的近尖端應(yīng)力場然后轉(zhuǎn)換通過機械感覺神經(jīng)元進(jìn)入電能。來自周圍環(huán)境的機械能和提高機械傳感器的靈敏度。

在這項工作中提出的理論表明，蝎子腿部的超敏感的機械感受器代表了一種全新的范式，最大化了機電能量轉(zhuǎn)換的效率因為機械傳感的物理本質(zhì)是機械能的高效轉(zhuǎn)換，即包含在機械信號中的電能。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.201807693