航空航天特殊环境、交通事故及体育运动中，人体面临复杂的动态载荷，且其致伤率和致死率非常高。据统计在世界范围内，造成死亡的汽车事故中，头部损伤所占比例约为52%到65% [1-2]。体育运动方面，橄榄球、足球、滑雪、冰球等的运动员发生脑震荡的概率非常高。在奥运会中，运动员头颈部损伤所占比例达到了20到24% [3-4]。在航空航天领域，弹射逃生中头部损伤也占到了相当高的比例 [5-6]。自然界中的生物需要承受由捕食、战斗和防御等过程引起的冲击载荷，经过长时间的进化许多物种发展出了自己独特的防护机制 [7-10]，核桃就是其中之一。师法自然从中获得启示和灵感，对于人体损伤防护具有重要的意义。
核桃壳是一种轻质材料，具有高强度和增韧特性。樊瑜波教授、王丽珍教授团队经过系统的研究，从结构和材料性能两个方面，发现了核桃多尺度的抗冲击防护机制（图1）。
图1 核桃的冲击防护机制
在结构方面，该研究团队首次发现了核桃整体的质量分布存在非对称性，形心和质心不重合，这使得核桃存在附加的转动惯量。质心和形心不重合造成碰撞后核桃运动状态的改变，导致了旋转运动的产生，并且降低了平动动能和回弹高度，同时也降低了碰撞过程中的核桃壳上的冲击力峰值（图2）。该研究团队通过数值仿真，发现了核桃内部独特的分心木结构对整体刚度具有增强作用，可抵抗外力导致的大变形，此外分心木还可以在碰撞过程中限制果仁的运动和维持壳体完整、避免开裂，从而实现对果仁的保护。
图2 改变核桃壳体动力学行为的非对称质量分布
在材料性能方面，该研究团队通过对核桃壳宏观和微观材料力学性能的检测、微结构的表征和统计分析、单细胞变形和断裂的数值模拟，发现了核桃壳的力学性能优异，是一种轻质高效的材料，具有较高的刚度、韧度和比强度，具有较好的吸收能量的能力。该研究团队首先发现核桃壳力学性能和孔隙率呈现独特的S形梯度分布，根据力学理论推导、数值模拟以及实验验证，发现S形梯度分布的力学性能和孔隙率可以增强碰撞过程中核桃的缓冲能力、延长碰撞时间并降低峰值载荷（图3）。在微观层面上，核桃壳单细胞壁为内凹多胞状且具有6个子胞体的情况最普遍，细胞壁上均布有连通相邻细胞的纹孔结构。内凹多胞的形貌使其细胞壁具备了拉胀特性，可以增加碰撞变形过程中对外部能量的消耗。细胞壁上纹孔结构起到了偏转和扩散微裂纹的作用，可以断裂过程中的外部能量消耗。从而实现微观的增强增韧（图4）。
图3 提高碰撞缓冲性能的S型梯度孔隙率和力学性能的核桃壳
本研究发现核桃壳具有轻质、高强度和高韧性特性及产生机理，在外力作用下存在多尺度防护生物力学机制来增强其防护性能，包括：不对称质量分布改变了壳体的动力学行为；分心木结构增强了整体刚度并防止壳体开裂；S形梯度壳体提高缓冲能力；内凹多胞的细胞壁以及细胞壁上的纹孔结构增加了变形和断裂过程中的能量消耗，为人体损伤防护装备研发提供启示和灵感。
