蝴蝶的翅膀由几丁质构成，这是一种有机聚合物，是甲壳类动物及其他昆虫外壳的主要成分。当蝴蝶在最后的变态阶段破茧而出时，它会缓缓展开翅膀，展现出其壮丽的姿态。
在展开的过程中，几丁质物质经历脱水，同时血液通过蝴蝶的静脉被泵送，产生重新组织材料分子的力量，以提供飞行所需的独特强度和刚度。这种力、水的运动与分子组织的自然结合，成为副教授哈维尔·g·费尔南德斯(Javier G. Fernandez)研究的灵感来源。
费尔南德斯与新加坡科技与设计大学(SUTD)的研究人员合作，探索将几丁质聚合物作为可持续的工程材料。
在他们最新的研究中，题为“几丁质生物聚合物的二次重定向和吸湿力及其在被动和生化驱动中的应用”，发表在《先进材料技术》上，研究小组揭示了几丁质材料在应对环境变化时的适应性和分子变化。
费尔南德斯表示：“我们已经证明，即使从天然来源提取，几丁质聚合物依然保持连接不同力量、分子组织和水含量的自然能力，从而产生机械运动和发电，而无需外部电源或控制系统。”他强调了几丁质聚合物作为节能和生物相容性智能材料的独特特性。
甲壳素是自然界中仅次于纤维素的第二丰富的有机聚合物，是每个生态系统的一部分。它可以轻松且可持续地从多种生物中获取，SUTD的研究小组已经证明，它甚至可以从城市垃圾中提取。
在当前的研究中，研究人员从废弃的虾壳中提取几丁质聚合物，制成约130.5微米厚的薄膜。他们研究了外力对这些几丁质薄膜的影响，重点关注分子组织、含水量和机械性能的变化。研究人员观察到，拉伸几丁质薄膜时，晶体结构重新组合——分子变得更紧密，含水量减少。
最初具有类似商品塑料的特性，几丁质薄膜被转化为高端和专业工程用途的类似塑料的材料。与合成聚合物的惰性性质不同，重组的几丁质薄膜能够根据环境变化自主放松和收缩，类似于一些昆虫如何适应不同的环境。这种能力使得壳质薄膜能够垂直举起超过4.5公斤的物体。
为了证明这种生物相容性薄膜在工程上的适用性，研究小组用机械手将它们组装起来。通过环境变化和生物化学过程来控制薄膜的分子间水分，研究小组创造了足够的力量让手表现出抓握的动作。令人印象深刻的是，抓握力相当于18公斤——比成年人平均抓握力的一半还多。
通过生物化学手段产生这种力的能力也表明，几丁质薄膜与生物系统无缝结合的潜力，以及它们在生物医学应用上的适用性，比如人造肌肉和医疗植入物。
在另一个演示中，研究小组展示了这种材料对湿度变化的反应可以用来从环境变化中收集能量并将其转化为电能。通过将薄膜附着在压电材料上，薄膜响应湿度变化的机械运动被转换成适合为小型电子设备供电的电流。
费尔南德斯的概念验证研究说明了甲壳素的原生机械特性和嵌入功能是如何被复制的，强调了甲壳素在工程和生物医学应用中的潜在用途。他认为，像几丁质这样的材料在向更可持续的范式过渡中发挥着至关重要的作用，他称之为生物材料时代。
“几丁质在自然界中具有许多复杂的功能，从制造昆虫的翅膀到形成软体动物的坚硬保护壳，并具有直接的工程应用。我们理解和使用天然形式的甲壳素的能力对于实现新的工程应用和在生态整合和低能量的范例中开发它们至关重要，”费尔南德斯总结道。
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希望本篇文章《蝴蝶初次翱翔启发了创新的能量与电力生成方式》能对你有所帮助！
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