随着航空航天、汽车工程和防护装备等领域对材料性能要求的不断提高，如何实现材料在轻量化的同时兼具高强度与高效能量吸收能力，成为一项重要挑战。传统结构材料如层压板、蜂窝结构等，往往存在应力集中、易分层、重量大等问题。自然界中，蝴蝶翅膀的微观鳞片结构和竹子的梯度孔隙分布，为设计新型抗冲击材料提供了重要灵感。这些生物结构通过巧妙的几何排列，实现了优异的力学性能和能量耗散机制。本研究受此启发，结合新型高性能材料与先进3D打印技术，提出了一种"材料—结构"协同设计新策略，成功研制出具有优异抗冲击性能的梯度结构材料。
图1 仿生结构的设计原理、制造工艺及机械性能分析
（a）蝴蝶腹翅覆盖鳞片纵向脊之间的陀螺纳米结构。
（b）竹子中孔隙度从内向外递减的梯度结构。
（c）用于制造BGT结构的DLP打印技术示意图。
（d）BGT结构图片。（e）元素分析结果。
（f）BGT和NT结构的横向截面图和（g）纵向截面图像。
（h）BGT和NT结构在1.2、2.4、3.6和4.8毫秒动态冲击下的模拟应力分布。
（i）BGT和NT结构在冲击下的力-位移曲线及（j）残余速度-时间曲线。
（k）在0.035应变下，BGT和NT结构在准静态压缩试验下的应力分布。
研究团队首先合成了一种新型混合聚氨酯丙烯酸酯（HPUA）光敏树脂，通过调控其交联密度，使其兼具高强度（26.1 MPa）和高韧性（3.6 MJ/m³）。在此基础上，利用数字光处理（DLP）3D打印技术，制备出具有中心梯度变化的三重周期极小曲面（TPMS）结构，称为"仿生梯度TPMS结构（BGT）"。该结构通过单元尺寸和壁厚的空间渐变设计，模拟了竹材等生物中的梯度力学特征。研究人员通过落锤冲击实验、有限元模拟和CT扫描等手段，系统评价了其动态抗冲击性能与损伤演化机制。
关键性能数据：在50 J冲击能量下，BGT结构的峰值冲击力达 4060 N，能量吸收达 19.1 J，均显著高于对比结构。
抗冲击机理：梯度设计带来的应力重新分布与渐进式破坏机制——外部较密的结构先承受冲击，内部较疏结构逐级耗能，有效抑制了裂纹扩展与应力集中。有限元分析与CT重建进一步证实，BGT结构在冲击过程中应力传递更均匀，损伤区域更局部可控，表现出良好的结构完整性与能量耗散效率。
研究意义：该研究不仅提供了一种高性能抗冲击材料的设计与制备新路径，也展示了"材料—结构"一体化仿生设计的强大潜力。
应用领域
航空航天
缓冲部件、轻量化结构
人体防护
防护装备、安全护具
汽车工业
防撞结构、吸能部件
运动器材
头盔、护具等防护装备
此外，该结构具备多材料复合兼容性，可通过注入不同聚合物进一步调节其力学响应，实现性能的定制化设计。该成果为推动下一代轻量化、高性能防护材料的发展提供了重要理论与技术支撑。