Hierarchical Structure and Multiscale Mechanical Properties of the Gooseneck Barnacle (Capitulum Mitella), Acta Biomaterialia,221,204-215(2026)
鵝頸藤壺之多階層結構與多尺度力學性質之研究
Yung-Ya Chuang and Po-Yu Chen*
2026/10/29
佛手貝（Capitulum mitella）是一種棲息於潮間帶礁岩間的有柄藤壺。不同於常見的火山狀藤壺，佛手貝具有可彎曲的柄部，外側覆蓋大量礦化鱗片，使其能在海浪反覆拍擊的環境中兼顧柔韌與防護。然而，這種多階層結構與力學性質之間的關聯，過去仍缺乏系統性研究。本研究透過顯微觀察、PXM及成分分析，發現柄部由富含幾丁質的層狀皮層與含鎂方解石鱗片組成，鱗片尺寸由上而下逐漸縮小，並嵌入柔性皮層中。我們透過同步輻射的PXM技術觀察到，鱗片並非僅有堅硬的礦化物質(MR)，其外部還包裹著非礦化區域(NR)。奈米壓痕結果也證實，鱗片具有明顯的軟硬異質結構，礦化核心的硬度約為周圍非礦化區域的十倍。水合作用使兩區域的硬度與彈性模數下降，而蠕變測試則揭示不同的時間依賴性變形與能量耗散行為。拉伸測試進一步發現，柄部具有顯著的力學異向性。相較於縱向(0°)拉伸，橫向(90°)的強度、彈性模數與韌性分別提升約49%、75%與188%。影像與斷裂分析顯示，鱗片排列有助於分散局部應變、改變裂縫路徑，而幾丁質皮層則透過層間滑移、分層與延展變形消耗能量。整體而言，佛手貝透過軟硬結構與多尺度力學機制的協同作用，兼具防護與柔韌性，為未來軟體機器人防護外皮及仿生柔性護甲提供新的設計靈感。
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