基於 CT 影像進行鳥巢微觀結構的結構分析

概述

鳥巢結構提供了寶貴的設計見解，在結構特徵和材料分層的控制方面與積層製造相似，可食用的金絲燕窩就是用它們螺紋狀的唾液創建巢穴，嚴格遵循設計原則。

本案例著重於將材料屬性與結構設計互相結合，使用 Simpleware 軟體中根據 micro-CT 數據處理的數值模型以及 CAE 模擬軟體中應力分佈的有限元 (FE) 模擬，結果表明燕窩的宏觀和微觀結構模式之間具有顯著的一致性，這表明對所施加載荷的響應依賴於過度設計策略，以避免用於儲存金絲燕蛋的重要區域發生結構斷裂。

亮點

鳥巢的設計原理提供如何建構複雜結構的見解，與積層製造技術有共同點。
Simpleware 軟體中的穩健模型能夠從 µCT 中詳細捕捉巢微結構
Simpleware 軟體為逼真的模擬提供高品質的 FE 網格
CAE 軟體中的模擬結果表明，巢穴是使用特定的設計原則建構的。

在 Simpleware 軟體中生成模型

為了進行這項工作從商業農場獲取了五個金絲燕巢，並使用 SkyScan 1176 高解析度 micro-CT 掃描儀（比利時阿爾塞拉爾的 SkyScan）進行掃描，將資料匯入 Simpleware ScanIP 中對感興趣區域進行可視化和分割。為了提高效率，對影像數據進行了重新取樣，並從背景數據中分割出感興趣的區域，修正 μCT 數據中的偽影和雜訊，通過閾值工具分割燕窩並去除背景雜訊。使用洪水填充工具來消除非連接的遮罩偽影，並應用遞歸高斯濾波器來減少影像雜訊和細節等級，選擇少於 125 個個體素的閉合孔並將其添加到遮罩中，以減少計算時間並提高生成元素的品質。

圖：使用 Simpleware 軟體和 CAE 軟體進行巢重建的工作流程，從 micro-CT 掃描到有限元模型。

使用 Simpleware ScanIP 測量和統計工具計算整個巢的形態參數，包括質量密度、巢體積、巢表面積和孔隙分析，對用於巢穴的分段遮罩和用於閉孔的單獨遮罩進行了測量，編寫了一個逐片腳本，用於在 YZ、XZ 和 XY 座標平面中對遮罩進行切片。在每個切片中分析毛孔和巢掩模的數據，並產生閉合毛孔的多標籤遮罩，建立此遮罩是為了互動式地視覺化和分析包含多個區域的毛孔遮罩，例如唾液鏈之間分散的毛孔。透過標記毛孔遮罩內不連續的區域，為每個區域分配單獨的顏色，獲得毛孔多標籤遮罩。

導出 FE 模型進行模擬

Simpleware 軟體產生了顯示微觀結構特徵的高品質有限元網格，用於模擬不同的載入場景。有限元自由網格劃分演算法用於確保高度詳細的嵌套微觀結構的高幾何精度，並真實地表示結構中的孔隙率，網格被平滑並導出為全四面體有限元模型，包含約 500 萬個元素，平均邊長縱橫比為 4-5，平均進出縱橫比為 0.8-1。

圖：Simpleware 軟體分割和鳥巢有限元網格的細節展示。

在劃分網格的設置中定義接觸實體和節點集，然後將專用的網格模型導出至 CAE 模擬軟體求解器，並在求解器中選擇節點集以應用邊界條件和負載，透過掃描電子顯微鏡進行原位單軸拉伸測試獲得材料的應變和應力特性。

圖：使用機械測量從 3D 模型獲得巢的高解析度 FE 網格，並用色標顯示不同的材料密度。

模擬應力和應變

在 CAE 軟體中，使用拉伸測試資料中的材料屬性對有限元網格進行建模，輸入資料按照標稱應力-應變曲線以及線性彈性模型來設定以考慮小變形。該材料被認為在纖維水平上是各向同性的，其中結構各向異性是由於 µCT 掃描捕獲的纖維的幾何排列而產生的。模擬假設了最壞的情況，即兩隻鳥和兩個蛋施加體積力（重力），並僅對蛋進行了額外的測試以比較結果。

圖：有限元模擬結果顯示了每個線性靜態載入場景（A、C、E）以及最壞情況載入場景（A-D）的最大主應力。

ScanIP 中預先定義的載入區域包含一定數量的節點，包括邊緣上施加鳥的力的兩個定義區域和巢中心施加雞蛋的力的兩個區域，對於巢的每個有限元模型，在計算應力和應變分佈時，巢與壁接觸的幾何位置中的節點集被約束為完全固定（所有方向上的零位移）。有限元模擬結果顯示了每個線性靜態載入場景結束時的最大主應力。中央「蛋區域」承受的壓力較低，可以保護錨定區域。

結論

由唾液製成的可食用巢穴在宏觀（重量、形狀）和微觀（孔隙面積和分佈）特性上表現出顯著的相似性，這表明巢穴是由物種使用特定設計原理構建的。研究的巢穴還表明，建造它們的目的是支撐兩隻鳥和兩個蛋。峰值應力的管理可確保最佳化的結構能夠成功承受壓力水平，而不會在攜帶雞蛋和鳥類時使巢破裂。

更進一步，該研究表明，在特定結構中正確分佈的單一材料如何創建可持續且有彈性的結構。這些來自動物結構的設計原則提供了如何僅使用本地或自產材料來建構複雜結構的見解，與積層製造技術有共同點。

參考資料