随着人类社会的发展，人们越来越需要具有抗拉拔连接的抗拉压、高吸能的结构。比如航空发动机的叶片的连接，既要抗拉拔又要有一定的间隙，以便保持动态平衡。
为了获得科学的灵感，我们需要向大自然学习。自然界经过亿万年的演化，各种生物为了生存，已经进化出了适应其特定生存环境的材料和结构。经研究发现，生活在北美洲西部的铁锭甲虫，具有极强的抗压能力而闻名，它能够承受自身体重的3.9万倍的压力下存活。
铁锭甲虫结构提供了科学灵感，启发我们可以通过仿生方式对材料和结构的极端要求。然而仿生的目的不只是模仿，人类应当在学习自然的基础上，利用科学理论，去理解和利用铁锭甲虫的结构力学性能。
图1：铁锭甲虫鞘翅连接电子显微结构：资料来源Rivera, J., Hosseini, M.S., Restrepo, D. et al. Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle. Nature 586, 543–548 (2020).
经过研究发现，原因在于铁锭甲虫结构独特的骨骼支撑结构以及鞘翅间拼图连接。这两种特性使得在抗压情况下，能够分散绝大部分的压力，有助于整体的能量吸收。参考铁锭甲虫的特有的拼图连接方式对开发构件新的连接方式，结构型材料具有重要的意义。
图2：（a）铁锭甲虫（b）铁锭甲虫内部结构3D打印模型（c）铁锭甲虫鞘翅连接（d）铁锭甲虫拼图连接的几何特征 （e）涡轮发动机叶片仿生构型
为此西安建筑科技大学力学技术研究院孙博华教授团队开展了铁锭甲虫鞘翅连接方式启发的关于拼图连接研究。相关工作以Bioinspiration: Pull-Out Mechanical Properties of the Jigsaw Connection of Diabolical Ironclad Beetle’s Elytra为题，发表在期刊Acta Mechanica Solida Sinica上。
为进一步了解铁锭甲虫拼图连接在拉拔过程中的力学性能，通过建立理论分析模型，与实验及有限元模拟结果对比验证。考虑了数量、角度和几何特征等因素对于拼图连接力学性能的影响。
图3：恒定接触面积和相同单元尺寸下不同数量模型及模拟、试验图
在保持恒定接触面积和相同单元尺寸的两种情况下，讨论不同拼图单元数量对峰值载荷、刚度、韧性等力学性能的影响。在保持相同单元尺寸的情况下，随着数量的增加，峰值载荷、刚度、韧性等力学性能基本呈现线性增加趋势。但在相同接触面积情况下，出现相应力学性能的极值的单元数并不相同，主要原因在于单元尺寸的改变，使得更容易出现塑性变形，同时也影响了拉拔过程的能量耗散方式。
图4：（a）不同连接角度模型试验图（b）连接角35°和45°模型拉拔破坏形式
图5：（a）不同连接角度模型试验力和位移曲线（b）不同连接角度力学性能对比
对于不同连接角度，随着连接角度的增大，峰值载荷，刚度、韧性也相应提高。在35°达到最大值后下降。这是由于随着连接角度的增大，单元互锁的程度加深，拉拔过程中，从接触边缘主要受力逐渐转变成单元颈部受力，颈部受拉成为主要的受力方式，颈部塑性变形增大，颈部塑性变形成为主要的能量耗散形式。
图6：不同长短半径比模拟及力学性能对比
对于不同长短半径比，随长半轴（a）和短半轴（b）的比值的增大，峰值载荷、刚度、韧性也不断增大，在比值2.2:1时达到最大后降低。这是由于随着比值增大，形状不断变得扁平、互锁程度加深、颈部承受部分拉力，使得抗拉性能提升。而一方面随着比值持续增大，接触部位面积减少，接触部位以相互挤压为主；同时互锁使得上下部位不易分离，使得颈部受拉和凹部两端变形来抵抗受拉，成为主要能量耗散形式。
40°连接角度拼图单元拉拔试验
圆形连接单元拉拔试验
原文链接：https://doi.org/10.1007/s10338-022-00368-7
“恶魔铁锭甲虫鞘翅拼图连接在拉拔过程的力学性能分析”备忘录
2020级硕士研究生魏杰
2022年即将迈入尾声，研究生生涯也进入倒计时。回顾以往时光，在孙老师和师门的帮助下得以快速成长，在学习的过程收获甚多。最为高兴的一件事当为本人的第一篇论文得已发表。回顾论文的全部过程，感触良多。特将这一段的心路历程记录下来，是对科研生涯的重要里程碑的总结，也是对将来的自己的勉励。
经过忙碌紧张的研究生入学考试，如愿的进入西安建筑科技大学理学院力学专业攻读硕士研究生，特别荣幸的成为孙老师的一名研究生。对于刚刚迈入研究生生涯的新生，对于一切充满好奇，特别是对于新的知识的学习。于本科按部就班的学习模式不同，研究生更加讲究的是自主学习。在入学前，孙老师就推荐了相关的学习资料和一系列的学术讲座，极大的充实了我的相关知识和扩宽了学术视野。孙老师期间就鼓励我们在学习上要把握一切机会，不断的提高自身的知识水平。这无疑为即将迈入研究生生涯的我指明了道路，使得在学习过程目标更加明确。期间特别感谢刘哲师兄在入学前就给予相关科研软件的学习指导，让我从中受益甚多。
进入学校学习后，孙老师就为我们新生举办了隆重的新生见面会，从中感受到了力学技术研究院的关怀和温暖。也是从一开始，孙老师就为我们确立了独立自主，互帮互助，不断进取的学习思想。不断鼓励我们要深入研究前沿科学问题。在日常的学习之余，得益于孙老师给我们分享的最新的前沿研究成果，使得在学习过程，明确了自身的科研兴趣和方向。其中特别是一篇名为Toughening mechanisms of the elytra of the diabolical ironclad beetle的文章引起了我的注意，里面关于铁锭甲虫的优越的抗压性能让人产生极大的兴趣。为了能进一步了解铁锭甲虫特有的抗压能力，孙老师建议我们研究生一年级新生组成科研学习小组，在宋广凯师兄的帮助下进行相关的学习。在师兄的指导下，科研小组对铁甲虫的相关文献进行了翻译学习，并为后续的科研进行了建模软件的学习。对于刚迈入科研大门的我们，铁锭甲虫无疑是个很好的科研项目，其中关于自然界神奇的生物结构让人充满好奇，驱使我们以极大的热情投入铁锭甲虫的科研项目之中去。
随着对于铁锭甲虫项目的深入学习，遇到的难题也随之而至。科研小组面临着基础理论知识不扎实，科研学习软件掌握的不熟悉，没有明确的研究思路。这些问题让我们整个科研小组的学习陷入的停滞之中。初次面临这些问题让我们变得有些手足无措。在研究院的例会交流会中，我们和孙老师汇报了相关的科研进度和相关问题。孙老师对我们的科研进度表示了肯定，这无疑是对当时的我们极大的鼓励。对于科研过程中所遇到的问题，孙老师鼓励我们说：遇到困难是正常的，科研的道路不可能是一帆风顺。遇到问题需要用极大的耐心，热情去面对。不断探索学习。总有一天可以达成目标。针对科研所遇到的问题，孙老师建议我们对薄弱的环节进行补充学习，在科研实战中不断提高自己。经过这一次的交流，使我们有了更多的信心去面对后面的挑战，在实战过程中，让自身的科研水平得到了极大的提升。在后面的科研小组学习中，我们按照孙老师的建议不断学习充实个人的知识理论基础，加强科研软件的学习和运用。将知识运用到具体的科研实践之中去。
但随着研究生一年级第二学期课程的逐渐加多，以及后续科研的需要。单个铁锭甲虫课题已经满足不了多人的科研的需求，每个人都需要各自的课题进行新的学习。为了大家能更好的进行后续的科研，和科研方向的多样化。为了极大的激发每个人的科研热情，孙老师以个人兴趣为导向，让每个人自主选择个人感兴趣的科研课题。由此，铁锭甲虫的科研课题也将由一个人全程负责。我基于对这个课题的个人兴趣，以及对仿生方向的向往。毅然选择接下这个课题，作为我研究生生涯的主要研究方向。对此，孙老师给予我很大的勇气，鼓励我从中学习到仿生的灵感，直至找到超越自然的仿生新构型。
作为研究生一年级的新生，第一次独自面对一个科研课题，无疑是具有极大压力的。一个新生科研小******对Nature顶刊上的研究文章，刚开始显得有些力不从心，没有实际科研经历的我又一次陷入了迷茫之中。这时孙老师提醒我从原文入手，先掌握文章内容，了解文章的研究思路，最好能重现文章的相关成果。于是我沿着这个思路将文章进行了详细的学习和了解，了解相关背景知识。通过阅读文章，总体掌握了文章的着重点，同时也学习了Abaqus和Catia等科研软件。根据了自己的研究思路，制定了相关的研究计划。但由于研究生一年级课程占据了学习的大部分时间，无法全身心的投入课题的研究之中。在研一第二学期结束时，虽然取得了一部分的进展，但对于完成一个课题显然是不够的。特别是在学习过程中缺乏严谨的逻辑性，科学性。研究思路存在偏差、一开始制定的研究计划缺乏可行性，但当时没有意识到相关问题，导致在原来的问题上停滞不前，使得在这个阶段白白浪费很多时间，一时间陷入了迷茫之中。
在研究生一年级结束后，为了科研试验方便，更好的和老师进行交流。在我完成草堂的课程学习后，就搬到了雁塔校区。进入雁塔校区后，有了更多的机会和老师交流。也幸于得益于这个决定，使得从科研的歧路中走出来。在和孙老师和师兄们的交流过程中，明白了自身所陷入的误区。在和孙老师多次交流后，明白了研究思路的不对，研究方法也需要进一步调整优化。孙老师指出盲目的进行模仿是没有用的，但复现结果是学习文章的一个很好方法，能够有效的帮助直接理解。于是按照孙老师的建议，我放弃了之前将铁甲虫结构进行简化的错误想法。从头开始，将铁甲虫的内部结构进行等比例还原，从内部结构入手模拟去了解铁甲虫的奥秘之处。但在实际过程中遇到了不小的挑战。第一个面临的挑战在于铁甲虫的模型没有可以参考的参数。文章能出现的只有几张图片，文章附件也没有提供相应的资料，这无疑给复现文章结果造成了巨大的挑战。为了解决这条拦路虎，我不断和孙老师和师兄们进行讨教，转换思路。在联系原文作者无果的情况下，孙老师建议从原有资料入手，自力更生。于是我将文章关于铁甲虫模型的有关图片进行参数化采点，得到了铁甲虫的模型参数。导入建模软件之中，重新还原了铁甲虫的原有结构，这无疑是对我极大的鼓励。在后续的研究之中，我按照原文相关细节进行了模拟。但在模拟过程之中，又出现了新的问题。经过多次的模拟调整和参数改变，却迟迟无法得到文章理想的结果，这给我带了很大的困惑。在自己埋头模拟计算几周还是无果后，我将这一情况反映给了孙老师。孙老师听完我的困惑之后，指明我从试验入手，有时候模拟无法准确模拟现实的实际情况。可以借助实验室所具备的条件，将模型进行3D打印试验。这样才能准确了解实际情况。于是我借助3D打印机将模型等比例放大和实体化，进行了抗压试验。从结果之中，得到了和原文趋势相同的力和位移曲线。重复观察试验视频，发现模拟和原文结果产生差异的原因在于边界条件和载荷施加部位不对。这一曲折的过程是对我极大的教育，明白了模拟不能代表一切，需要有实验进行验证对比。
在后续的工作中，我就针对铁锭甲虫的三种不同的内部结构进行了分析，明白了相关的原理。这对我理解文章具有极大的帮助。但在同时也产生了新的问题，在于如何从学习自然迈向超越自然的。这是一个让我苦恼许久的问题。为此，我查阅大量的文献资料，学习相关的工程背景，也最终也没有想到合适的思路。带着这一困恼，我主动与孙老师进行了学术交流。孙老师鼓励我要从不同的角度看待一个问题，如果你选择的这个研究方向在努力许久后没有结果，要及时总计反省。重新出发，从新的角度看待问题。我深受孙老师的启发，重新学习文章。在于在铁甲虫鞘翅独特的连接方式找到了灵感。带着新的研究思路对铁甲虫的鞘翅进行了研究。
在2021年快接近尾声时，我顺利完成铁甲虫拼图单元的有关模拟，但经历过之前的教训，让我深刻明白了模拟必须加以试验，才能验证结果的正确性。于是我联系相关3D打印厂家，进行模型的协调打印。在完成相关试验之后，也着手进行试验数据的处理。但突然其来的疫情让一切计划被打乱，西安疫情加重，为了更多的控制疫情，响应防疫政策。每个学生将在宿舍，最大限度的减少人员的流动。我们将学习的相关资料转移到了宿舍。宿舍成为了科研的第二战场。虽然疫情让我们不能面对面交流，但是阻挡不了学习的热情。在疫情防控期间，孙老师为了照顾我们的身心健康和学习进展，定期的为我们开展交流会，缓解了因为疫情所带来的焦虑和不安。在疫情防控期间，通过和孙老师的视频交流，科研进度没有因为疫情而耽误，一切稳步有序的持续推进中。最终在2022年1月左右完成了我的论文初稿。这对我是里程碑的胜利，也是我人生道路上的一个重要节点。
经过国家和全体人民的不懈努力，西安的疫情逐渐的稳定控制。我们作为无疫情发生的高校也允许返乡。在回家前，孙老师特意嘱咐我们在路上要注意安全，到家后要及时反馈到研究院。疫情丝毫隔绝不了人与人之间的关怀，温暖在人与人之间传递。
虽然放寒假在家，但科研不能因为放假而停息。在寒假期间，通过定期的研究生交流会进行成果进度汇报，也将近期所遇到的问题及时的与大家交流。这样随着交流会的定期召开，和孙老师的不断交流。我的论文得以进一步完善，相关内容得以优化。在经历过一个寒假之后，论文也完成几轮修改，也到了返校时刻了。在返校之际，孙老师就叮嘱要将论文及时翻译进行投稿，把握住研究生的宝贵时间，争取创造更多的科研成果。通过不懈的努力，终于将人生的第一篇英文论文完成，当时的喜悦难以言表。为了让英文论文能够更好准确表达作者意思以及方便读者阅读，孙老师特意资助我们进行论文润色，使得论文质量得到进一步提高。
在顺利完成前几个阶段之后，就到了投稿的最终环节。对于投稿，很多细节也是懵懂无知。在孙老师的师兄们的帮助下，完成了Acta Mechanica Sinica的投稿。这是我人生的第一次完成投稿，意义重大。但一篇文章到发表，道路注定是充满曲折的。在投稿一个月后，被期刊告知内容不符合期刊要求，论文被退稿。这对当时的我是巨大的打击，学习的热情顿时被浇灭，开始怀疑自己文章是否具有科研性。就在我陷入低谷之时，孙老师及时出现并安慰我。论文被退稿是很正常的时间，不能因为一次的失败而泄气。要坚持不懈，相信自己，最终一定能出成果。于是在孙老师的鼓励和建议下，我进行了论文的第二次投稿。将论文投稿到了Acta Mechanica Solida Sinica上。在完成投稿之后，孙老师督促我们不能满足于现状，要努力创造出更多的科研成果。我又投入了新的课题之中。
在等待漫长的审稿周期之后，终于在2022年八月收到了期刊的审稿意见。期刊反馈的意见很好，孙老师提醒要争分夺秒的进行修改，将论文完善，将有很大的希望录取。于是我按照审稿意见进行认真的修改，在提交最终稿件之前。孙老师对我稿件进行了认真的审阅，提出了很多建设性的意见。使得我稿件能够进一步优化。经过努力，2022年9月末将论文稿件重新提交到期刊。后续正如孙老师所料，稿件被录取。回顾第一次的科研过程，我感触良多，其中有纠结和苦恼，也有近乎绝望低谷，但只要是峰回路转便是收获成果时的激动与喜悦。论文的顺利发表，离不开孙老师的鼎力支持与帮助，离不开研究院老师与同学们的协助。在最后，我要再次感谢孙老师给予在论文选题、论文创新以及论文撰写等方面的指导与帮助，正是孙老师对我的论文严格要求并给予了许多宝贵的建议，才使我的论文得到了不断的完善，最终于录用。
在论文正式发表了之后，孙老师建议我对该研究成果写一篇报道总结。于是我就对该研究内容进行了整合和写作。当我完成论文的报道的初稿后，在孙老师的提醒下发现新闻报道存在问题，缺乏相关的研究背景，同时也缺失报道的科普性和故事性。对论文的研究意义和应用方向没有进行更加深入的探讨。于是孙老师对论文的报道进行重新的梳理和写作。看到孙老师在论文报道中写道：早期人类为了改善自己的生存条件，最早是利用天然材料搭建简单的草棚茅舍，遮风避雨改善局部环境，抵抗恶劣的自然条件。著名力学家北京大学武际可教授在其博文中曾说：“结构工程是人类文明的脊梁”。随着人类文明的发展，从早期的现场制造到预制件的组装，人造物越来越复杂。不过，无论多么复杂的结构，都可以看成是构件通过特定方式连接起来的组合体。好的结构不仅要具有好的主结构，也需要有好的连接。为了结构具有强大的生存能力，人们越来越需要具有抗拉拔连接的高吸能组合结构。比如航空发动机的叶片的固定，不能使用完全的刚性连接，而是需要一种特殊的拼图连接方式。既要抗拉拔又要容许有一定的工作间隙，以便可以通过自我调节到达动态平衡，减小发动机的振动。为了获得科学的灵感，我们需要向大自然学习。自然界经过亿万年的演化，各种生物为了生存，已经进化出了适应其特定生存环境的材料和结构。让我深刻重新认识了相关的背景和课题意义所在，使我更加深刻了解了文章的意义所在，也明确了未来的研究思路。在我受到老师的教导后，心里极为震撼。孙老师不仅对课题研究方向的准确把握，更在课题研究的背景意义有深入的研究。孙老师在研究前沿上的认识让我深深折服，同时明白了做课题一定要深入研究背景和应用，立足高点，开扩研究领域。在写作当中，孙老师的介绍让我对课题的研究历史有了更深层次的理解，并且让我明白对一个课题的研究要站在更高的层次上，要时刻保持一种大局观，将该课题的研究历史清晰地以故事的形式讲出来，才是对这个问题的真正的理解。
在未来的学习过程中，我将谨记这次的学习历程。其中宝贵的经验和孙老师的教导将是对我未来道路上宝贵的财富。
以上内容均为本人此次科研经历的真实记录，包含了我从选题到独立撰稿论文到论文录用的全部内容，希望研究院同学可以加以借鉴。
文章链接: Jie Wei. And Bo Hua Sun. (2022), " Bioinspiration: Pull-Out Mechanical Properties of the Jigsaw Connection of Diabolical Ironclad Beetle’s Elytra ", Acta Mechanica Solida Sinica.
https://doi.org/10.1007/s10338-022-00368-7
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