供稿人:杨春成 李涤尘 发布日期：2017-10-21
2016年大年初一，由周星驰倾情导演的《美人鱼》终于在万众瞩目下上映了，其所谱写的人鱼爱情童话故事收获了无数欢笑与感动的泪水，一时间“美人鱼”的造型纷纷出现在大街小巷中，深受追捧。但是，这些形形色色的“美人鱼”们也只是徒有其表、名不符实，一到海底里估计也只能扑腾几下，便了无生息了。所以，如何成为一只在海底自由遨游的“美人鱼”呢，仿生多材料3D打印技术或许可以帮你忙。
来自美国克莱姆森大学与加拿大麦吉尔大学的研究人员专门对各种鱼类的鱼鳞甲的宏微结构进行了研究，并采用3D打印技术来重现其结构功能，如图1：存在于大多数硬骨鱼类的重叠鳞结构（A），存在于雀鳝类以及多鳍鱼的连锁咬合鳞结构（B），存在于鲨鱼的叠瓦鳞结构（C），存在于箱鲀类的嵌甲鳞结构（D），以及存在于海马类以及海龙类的锁叠骨板鳞结构（E）。
图1 各种鱼类鱼鳞甲的宏微结构
如图2，一些研究人员用3D打印技术打印出了存在于大多数硬骨鱼类的重叠鳞结构的实际模型（A，B），并进行了相关的实验测试，发现这种重叠鳞结构主要可以提高鱼类的移动性（D）以及抗穿刺能力（C，E，F），即使被尖锐的物品刺中，也可以通过形体的变形躲开严重的伤害，从而可以大大提高鱼在海里的存活能力。
图2 重叠鳞结构可以提高鱼类的移动性以及抗穿刺能力
而存在于雀鳝类以及多鳍鱼的连锁咬合鳞结构更加重视的是鱼类的保护性与灵活性的结合，如图3，其头部收敛的连锁咬合鳞结构将提供极大的刚度，从而保护鱼的头部抵抗伤害以及穿过阻力的能力，而尾部逐渐放开的连锁咬合鳞结构将提供给鱼很大的弯曲度以及灵活性（F）。
图3 连锁咬合鳞结构是鱼类的保护性与灵活性的结合
鲨鱼是海洋里的杀手，也是海洋里游得最快的鱼类之一，相关研究人员通过3D扫描和3D打印技术制造出3D打印鲨鱼皮，从而发现了鲨鱼鱼鳞甲上特殊的叠瓦鳞结构，如图4（A，B，C，D），这种结构在游动时可以大大减少运动阻尼，提高游泳速度，并降低能量消耗。
图4 叠瓦鳞结构可以降低运动阻尼
存在于箱鲀类的嵌甲鳞结构是一种具有高抗力的外结构，研究人员通过3D打印出来的仿生结构测试发现，如图5，其互相镶嵌的齿状结构可以提供很好的强度、刚度以及韧性，从而最大限度地保护此类鱼的内部器官。
图5 嵌甲鳞结构可以最大限度地保护鱼的内部
而海马的锁叠骨板鳞结构可以大大增加其尾部的弯曲性，如图6，通过3D打印技术，可以仿造出海马的尾部结构，从而可以自由地缠绕到管状物体上，也可以通过尾部的变形，提供给海马运动的动力。
图6 海马的锁叠骨板鳞结构可以增加尾部的弯曲性
由此可见，仿生多材料3D打印技术，不仅可以帮助我们探索鱼类鱼鳞甲的结构秘密，也可以仿造出同样的鱼皮来，当人穿上这些鱼皮结构时，这些大自然神奇的结构就可以帮助我们减少水的阻力，提高在海里活动的灵活性，并可以在一定程度上提供外在保护，真正地让你离成为“美人鱼”更近了一步。