蝴蝶的翅膀由甲壳素制成，甲壳素是一种有机聚合物，是甲壳类动物和其他昆虫等节肢动物壳的主要成分。当蝴蝶在变态的最后阶段破茧而出时，它会慢慢地展开翅膀，展现出最美丽的姿态。

在展开过程中，几丁质材料脱水，同时血液泵入蝴蝶的静脉，产生重组材料分子的力量，以提供飞行所需的独特强度和刚度。这种力、水的运动和分子组织的自然结合是哈维尔·G·费尔南德斯副教授研究的灵感来源。

Fernandez与新加坡科技设计大学(SUTD)的研究人员一起，一直在探索使用几丁质聚合物作为工程应用的可持续材料。

在《先进材料技术》杂志上发表的最新研究《几丁质生物聚合物中的二次重定向和吸湿力及其在被动和生化驱动中的应用》中，研究小组阐明了几丁质材料响应环境变化的适应性和分子变化。

“我们已经证明，即使从自然资源中提取后，几丁质聚合物仍保留其连接不同力、分子组织和含水量的天然能力，以产生机械运动并产生电力，而不需要外部电源或控制系统，”费尔南德斯说道，并强调了几丁质聚合物成为节能和生物相容性智能材料的独特功能。

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。它可以很容易地、可持续地从多种生物体中获取，并且同一个SUTD研究团队已经证明，它甚至可以从城市垃圾中获取。

在当前的研究中，研究人员从废弃的虾壳中提取了几丁质聚合物，制成厚度约为130.5微米的薄膜。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，与蝴蝶展开翅膀类似，拉伸几丁质薄膜会重组晶体结构——分子变得更加紧密，含水量减少。

几丁质薄膜最初具有与商品塑料相似的特性，后来被转变为类似塑料的材料，用于高端和专业工程用途。与合成聚合物的惰性不同，重组的几丁质薄膜可以根据环境变化自主放松和收缩，类似于一些昆虫使外壳适应不同情况的方式。这种能力使几丁质薄膜能够垂直举起重量超过4.5公斤的物体。

为了证明生物相容性薄膜的工程适用性，研究小组用机械手将它们组装起来。通过环境变化和生化过程控制薄膜的分子间水，该团队创造了足够的力量让手表现出抓握动作。令人印象深刻的是，握力相当于18公斤——超过成人平均握力的一半。

通过生化手段产生这种力的能力也表明几丁质薄膜有可能无缝整合到生物系统中，及其适用于生物医学应用，例如人造肌肉和医疗植入物。

在另一个演示中，该团队表明，材料对湿度变化的响应可用于从环境变化中获取能量并将其转化为电能。通过将薄膜附着到压电材料上，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如何重现甲壳素的天然机械特性和嵌入功能，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，像甲壳素这样的材料在向更可持续的范式(他称之为生物材料时代)的过渡中发挥着至关重要的作用。

“甲壳素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，并且具有直接的工程应用。我们理解和使用其天然形式的甲壳素的能力对于实现新的工程应用至关重要并在生态一体化和低能耗的范式下开发它们，”费尔南德斯总结道。

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标签：几丁质薄膜材料