在航空航天、防护装备以及交通运输等工程领域，高效能量吸收与振动隔离始终是核心需求。传统能量吸收结构通常依赖材料塑性变形、几何屈曲或内部塌缩来耗散能量，但这类结构存在明显不足：一方面，它们的性能往往受限于较小的压缩应变范围，在低应变下吸能能力不足，需要依赖较高的应变速率才能激发有效缓冲作用；另一方面，当结构承受过大的压缩应变时，往往会发生不可逆损伤，导致重复使用性能差甚至完全失效。这些问题使得传统方案难以同时兼顾轻量化、可调节性和可重复使用性，限制了其在复杂工况下的应用。
近日，中国科学技术大学龚兴龙教授团队受人类膝关节结构启发，提出了一种仿生流固耦合能量吸收系统（Imitation Knee Joint Structure, IKJS）。该系统由3D打印的薄壁外壳与填充剪切增稠液（STF）的柔性囊腔构成，巧妙模拟了骨、软骨与滑液的协同作用，在动态压缩、振动以及低速冲击等多种载荷条件下，IKJS均表现出优异的能量吸收与阻尼性能，实现了在宽应变率范围内的适应性和稳定性。
该工作近日发表在力学/机械类Top期刊《International Journal of Mechanical Sciences》上，题为“Bioinspired Fluid–Structure Coupling System for Energy Absorption”。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院硕士生赵蕴普，龚兴龙教授和王宇副教授为论文通讯作者，研究贡献者还包括中国科学技术大学工程科学学院的张峻硕、娄聪聪、杨谨瑜、段世龙等。
【仿生来源与参数化结构设计】
研究从人类膝关节的“刚-柔-流体”耦合特征中获得启发，采用参数化设计构建了三种不同几何的仿生结构（Model 1–3），其受压间隙形状的差异决定了内部封闭流体在变形时以压缩主导或剪切主导的方式承担载荷。为探究流体对整体响应的调控作用，研究人员分别在囊腔内填充了牛顿流体（PEG200）和对剪切速率高度敏感的剪切增稠液（STF），展示了通过流体特性调控结构力学性能的设计思路。
图1.人类膝关节结构与IKJS三维设计。通过TPU外壳、Ecoflex柔性囊腔以及内部流体（PEG200或STF）组合，实现了“硬–软–流体”一体化协同。单个结构重量不超过10 g。
【IKJS制作流程和材料表征】
IKJS的外壳由硬质TPU通过3D打印制备，保证了整体的支撑强度；柔性液囊则采用“模具固化-脱模-注液-封顶”的工艺，确保了密封性与形变能力。内部填充的STF由球形二氧化硅颗粒分散于PEG200中制成。在材料表征方面，固体部分通过超弹性模型拟合其非线性力学行为，而STF的黏度特性则采用分段幂律模型刻画其随剪切速率变化的流变规律。
图2.IKJS的制备流程及材料表征。
【IKJS在不同加载频率下的响应：流体影响和几何调控】
在不同加载频率（0.1 Hz–1 Hz）和压缩应变（0.25–0.75）的压缩实验中，PEG-IKJS在大变形时出现了明显的固壁接触点；在相同应变下，STF-IKJS因剪切增稠带来的黏度提升，平滑了壁面接触并充当“流固缓冲介质”。同时，几何参数对内部流动路径的调控显著诱导并放大了 STF 的剪切增稠响应。
图3.PEG-IKJS的在不同加载频率和最大压缩应变下的力-位移响应。
图4.STF-IKJS的在不同加载频率和最大压缩应变下的力-位移响应。
实验结果显示，STF-IKJS（Model 3）在宽频压缩条件下展现出显著的可调范围：等效刚度从1.75 N/mm提升至19.72 N/mm，等效阻尼力则从0.20 N增强至22.17 N，分别提升超过11倍与110倍。相比之下，PEG-IKJS的调节范围远低于STF结构（Ke < 6 N/mm，Fd < 4.5 N），验证了剪切增稠效应在提升能量吸收能力中的关键作用。
图5. IKJS在图3、图4中的等效刚度（Ke）和等效阻尼力（Fd）总结。
总体来说，流体的高体积模量以及柔性液囊的变形能力赋予了结构较强的承载性能；同时实验结果表明，结构在流体率相关效应与间隙几何调控的共同作用下，展现出宽频的刚度与阻尼调节能力。因此，本次压缩实验不仅验证了IKJS的能量吸收优势，也揭示了其在频域隔振的潜在应用前景。
【IKJS在低速冲击下的缓冲性能与仿真结构优化】
在低速冲击实验（冲击能量1.94 J–9.68 J）中，STF-IKJS展现出优异的缓冲吸能效果。实验结果表明，在冲击能量小于7.64 J 时，STF-IKJS（Model 3）相比纯固体结构削弱了一半以上的冲击力；在最低冲击能量下，其归一化峰值力仅为0.36，能量耗散率达到97%。即使在更高冲击能量下，STF-IKJS仍保持约82%以上的能量吸收效率，展现了稳定高效的缓冲吸能性能。
图6.不同冲击能量水平下纯TPU壳体、PEG-IKJS和STF-IKJS的缓冲力和能量吸收性能。
耦合欧拉–拉格朗日方法（Coupled Eulerian–Lagrangian Method）进一步揭示了低速冲击下柔性液囊的应力集中情况和剪切流场分布，用以改善结构的耐用性和分析能量耗散机制。结果显示，STF在冲击早期能够通过剪切增稠效应显著延缓流体流动和固壁接触，通过提高缓冲时间降低冲击反力、增加能量耗散；相比之下，PEG200由于黏度较低，局部快速排液后过早发生固壁接触，不利于有效缓冲吸能。此外，Model 1-3结构中不同的液囊应变和剪切速率分布证实了几何调控剪切响应的有效性。
图7.在1.94 J冲击下的早期阶段（1.5 ms），Ecoflex-0030液囊的应变分布，以及PEG200和STF的剪切速率场。
基于已有的实验和仿真结果，研究通过调整几何参数探索更优的设计。增加填充流体体积分数和改进几何对称性能够显著改善液囊内的高应变区，使最大拉伸应变减少60–72%。优化后的对称化模型在冲击实验中峰值加速度和底部反力下降了约20–40%，进一步提升了缓冲连续性和耐久性。这些结果表明，IKJS不仅在低速冲击下具备优异的能量吸收能力，还能通过几何优化实现更高效的防护性能。
图8. 在原结构基础上改进的7种IKJS示意图。
图9. 在1.94 J冲击能量下（1.5 ms），几何参数对STF-IKJS缓冲性能的影响。
综上所述，研究提出的仿生流固耦合IKJS系统通过几何调控与剪切增稠液的协同作用，实现了轻量化、可重复使用与宽范围的能量吸收性能。其优异的压缩和冲击缓冲表现不仅验证了仿生设计的有效性，也为下一代防护结构与频域隔振装置提供了新的设计思路与应用前景。
原文链接：Yunpu Zhao, Yu Wang, Junshuo Zhang, Congcong Lou, Jinyu Yang, Sheng Wang, Jiahao Li, Xinglong Gong. Bioinspired fluid–structure coupling system for energy absorption. International Journal of Mechanical Sciences, 2025: 110720.
https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2025.110720
