陆生蜗牛Achatina fulica与海洋蜗牛Babylonia zeylanica壳体的微观结构设计的比较机械学研究

《Composite Structures》：Comparative mechanical study of microstructural design in terrestrial Achatina fulica and marine Babylonia zeylanica snail shells

本研究系统比较了陆生蜗牛（Achatina fulica）与海生蜗牛（Babylonia zeylanica）壳的微观结构与宏观力学性能。实验发现陆生壳具有三层交叉板层结构，而海生壳为双层结构。通过多尺度测试和有限元模拟发现，尽管海生壳更厚更重且静态强度较高，但陆生壳在弯曲模量和抗冲击性能上显著更优，其三维交叉板层结构能有效分散应力与能量。该研究为轻量化仿生材料设计提供了理论依据。

　　

Xufeng Bai|Pan Liu|Guoyou Huang|Zuoqi Zhang|Yanan Yuan

武汉大学土木工程学院，中国武汉430072

摘要

具有交叉层状结构的软体动物壳因其优异的机械性能而受到广泛关注。我们的实验发现，陆生蜗牛（Achatina fulica）的壳具有三层交叉层状结构，而海生蜗牛（Babylonia zeylanica）的壳具有双层交叉层状结构。为什么它们有所不同？哪种在机械设计上更优越？为了回答这些问题，我们通过多尺度测试比较了它们的微观/宏观机械性能。结果表明，海生蜗牛壳的机械性能优于陆生蜗牛壳，但海生蜗牛壳也更厚更重。为了进一步阐明它们在机械设计上的优势，我们使用有限元方法（FEM）进行了计算机模拟，以排除宏观几何形状和组成材料的影响，比较了三层和双层交叉层状结构的机械性能。令人惊讶的是，结果显示陆生蜗牛壳的设计在弯曲模量和强度方面明显优于海生蜗牛壳。这些发现加深了我们对蜗牛壳结构-功能关系的理解，并为仿生复合材料设计提供了宝贵的见解。

引言

软体动物的壳具有显著的机械性能，在保护其柔软的身体免受捕食者攻击方面起着关键作用[1]。这些出色的性能主要源于其复杂的微观结构，这些结构有效地协同作用，使得相对较弱的组成材料——主要是生物矿物和蛋白质[2]、[3]——发挥出最佳性能。因此，壳的微观结构与机械性能之间的关系引起了广泛的研究兴趣，人们致力于揭示其背后的机制，并为仿生复合材料和结构的设计提供灵感[4]、[5]。

软体动物栖息在地球上的各种环境中。从进化的角度来看，它们的壳的结构和功能与其栖息地条件和抗捕食策略密切相关。在这项研究中，我们重点关注两大类壳——陆生蜗牛壳和海生蜗牛壳，并比较了它们在微观结构和机械性能上的差异。从力学角度对海生蜗牛壳进行了大量的科学研究。它们的典型微观结构包括两种主要类型：珍珠层结构和交叉层状结构[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。许多海生蜗牛壳具有两到三个层次的结构层次，并且通常包含多种特征性的微观结构[2]、[6]、[11]、[12]、[13]、[14]。珍珠层通常出现在内壳层，其特征是众所周知的“砖-砂浆”结构[9]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]，而交叉层状结构——常见于如Strombus这样的物种——由以特定角度相交的层片组成[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。这两种结构都以其卓越的机械性能而闻名，特别是高断裂韧性。许多实验、理论和计算研究阐明了海生蜗牛壳中的微观/纳米级结构如何贡献于其机械性能。例如，理论模型提供了珍珠层“砖-砂浆”结构与弹性模量、强度和断裂功之间的封闭形式关系[27]、[28]、[29]、[30]。关键的增韧机制包括分散微裂纹[9]、[22]、裂纹偏转[19]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、层片拔出[31]、[32]、生物聚合物桥接[15]、[21]、[36]、[37]、[38]、[39]、矿物桥[15]、[36]、[40]、[41]、[42]、燕尾状互锁[8]、[43]、[44]以及矿物-粗糙度诱导的多模态摩擦[36]、[45]、[46]、[47]。除了静态或准静态机械抗力外，海生蜗牛壳在动态载荷下也表现出优异的性能——这是生存的必要条件。它们的阻尼行为源于生物聚合物的粘性特性，并通过交错和层次化的结构得到显著增强[48]、[49]、[50]、[51]。对血小板拓扑结构的比较研究表明，逆燕尾设计对低速冲击具有更好的抗力[52]，而燕尾设计在抵抗穿孔方面表现优异[53]。交叉层状结构可以通过重新导向裂纹、分散损伤和通过三维螺旋层叠堆栈耗散能量来有效抵抗冲击[54]。此外，3D打印的仿生贝壳结构表明，双层交叉层状设计相对于单层设计和基材分别提高了70%和85%的冲击抗力[55]。在高应变率压缩（约10³ s?¹）下，贝壳通过层内断裂、纳米粒子旋转和位错诱导的纳米粒子变形等机制表现出动态自强化，达到600 MPa的断裂强度，几乎是准静态值的两倍[56]。受这些结构-性能关系的启发，研究人员开发了许多仿生材料。例如，Xu等人使用丝素纤维制造了一种单组分“丝质珍珠层”，与均质丝相比，其弯曲强度、模量和应变分别提高了67%、37%和19%[57]。Yin等人设计了具有三维砖-砂浆配置和热塑性弹性体中间层的珍珠层启发层压玻璃，其冲击抗力是层压和钢化玻璃的两到三倍，同时保持了高刚度和强度[58]。受Strombus gigas交叉层状结构的启发，Karambelas等人制备了具有三层结构层次的硅氮化物/硼氮化物陶瓷，实现了优异的损伤容忍度和峰值后的断裂功[59]。Zhang等人[60]开发了具有仿生交叉层状碳纤维复合材料，表现出显著的机械优势。有趣的是，Liu等人[61]提出了一种分层制造策略，用于具有单向排列的Bouligand结构和交叉层状结构的陶瓷增强有机水凝胶，实现了高刚度、强度和韧性的结合。

与海生蜗牛壳相比，陆生蜗牛壳的机械性能受到的关注要少得多。尽管这两种类型的壳由于其保护和支撑功能而具有共同的结构原理，但它们也因栖息地的不同而表现出明显的差异。陆生蜗牛壳通常更薄更轻——适应于保持水分和移动，而海生蜗牛壳通常更厚更重，以抵抗波浪作用和捕食[62]、[63]。对于陆生蜗牛来说，轻量化设计是一个优先考虑的因素，这与许多工程材料和结构的要求一致。如果不考虑重量，海生蜗牛壳在机械性能上似乎更优越。然而，当考虑到重量和组成材料等因素时，一个基本问题出现了：哪种壳类型——陆生或海生——具有更优越的机械设计？回答这个问题对于在组成材料选择有限的仿生轻量化结构设计至关重要。

为了回答这个问题，据我们所知，这项工作首次系统地比较了陆生和海生蜗牛壳的结构和机械性能。Achatina fulica和Babylonia zeylanica分别被选为代表陆生和海生蜗牛，因为它们都属于腹足纲（Gastropoda），并且它们的壳具有相似的外部形态。进行了微观结构表征、纳米压痕和三点弯曲测试，以评估微观结构、纳米尺度材料性能和宏观机械性能。然后使用基于有限元方法（FEM）的解耦分析框架[64]来分离和评估微观结构设计的特定贡献。本文的其余部分组织如下：第2节描述了材料和方法；第3节介绍了实验结果和分析；第4节提供了解耦分析的见解；第5节总结了全文。

部分摘录

样品制备

选择属于腹足纲（Gastropoda）的陆生和海生蜗牛物种作为实验样本。Achatina fulica（软体动物门，腹足纲，肺螺亚纲，Achatinidae科），俗称非洲巨型蜗牛或棕色云玛瑙蜗牛，来自中国河北省保定市，作为代表性的陆生蜗牛，见图1(a)。Babylonia zeylanica（软体动物门，腹足纲，前鳃亚纲，Babyloniidae科），也称为Ceylon zeylanica，来自连云港市，

壳的厚度和重量

表1总结了陆生和海生蜗牛壳的形态特征。结果显示，陆生壳和海生壳的曲率半径分别约为24毫米和42毫米。陆生蜗牛壳的厚度约为0.7毫米，而海生蜗牛壳略厚，厚度约为0.8毫米。此外，陆生蜗牛壳约占陆生蜗牛总重量的28%，而海生蜗牛壳约占海生蜗牛总重量的55%

仿真设置

仿真使用ABAQUS/Explicit（6.14）软件进行。开发了一个Python代码来方便交叉层状结构的建模。图6(a)展示了三点弯曲测试的仿真设置，其中梁的跨度-高度比为8，两端分别固定了两个半径为3毫米的刚性滚轮以简单支撑梁，中间放置了另一个相同尺寸的刚性滚轮作为加载压头

结论

本研究使用扫描电子显微镜（SEM）、纳米压痕测试和三点弯曲测试，研究了代表性陆生蜗牛壳（Achatina fulica）和代表性海生蜗牛壳（Babylonia zeylanica）的微观结构和机械性能。此外，还通过FEM仿真进行了计算机模拟，以分离微观结构效应，并解决关键问题：哪种壳——陆生或海生蜗牛——在微观结构设计上更优越

CRediT作者贡献声明

Xufeng Bai：撰写——原始草稿，可视化，软件，方法论，研究，正式分析，数据管理。Pan Liu：撰写——审稿与编辑，方法论。Guoyou Huang：撰写——审稿与编辑。Zuoqi Zhang：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，研究，概念化。Yanan Yuan：撰写——审稿与编辑，研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号12272279、1257022215、11720101002、11772240、11502175）和中央高校基本科研业务费（2042025YXB008、2042024kf0034）的支持。