在航天领域，太空碎片带来的威胁正与日俱增。2007年，一块高速飞行的太空碎片曾击穿美国“奋进号”航天飞机散热板，留下孔洞。尽管航天飞机项目已在2011年画上句号，但随着各类卫星星座、太空望远镜和航天器不断进入轨道，太空碎片问题愈发严峻。面对这一挑战，中国科学家从蛋壳中汲取灵感，研发出一种新型铝制材料，有望为航天器提供更可靠的防护。
蛋壳的独特力学性能一直吸引着科学界的目光。以敲破鸡蛋为例，只需在蛋的中心部位施加适当力量，就能让鸡蛋破裂，而不会使其完全粉碎。2012年，麻省理工学院机械工程师佩德罗·雷斯与团队发表论文，揭示了鸡蛋椭圆形几何结构与刚度之间的联系——刚度是衡量物体在破裂前能承受多大力量的关键指标。刚度与强度相关却并不相同，若一个蛋壳存在细微裂纹，其强度会降低，但刚度可能保持不变。
雷斯对蛋壳的研究源于一次有趣的物理演示：在装满鸡蛋的箱子上行走而不踩碎鸡蛋。他发现，关键在于将鸡蛋窄端朝上排列，并小心分散体重，避免单个鸡蛋承受过大负荷。敲破一个鸡蛋大约需要5.5磅的力，且施力方向和力量分布会影响结果。
蛋壳的抗碎裂特性早在上世纪五六十年代就引起了航空航天工业的关注，成为分析飞机金属外壳失效的参考模型。蛋壳主要由嵌入蛋白质基质的碳酸钙晶体构成，内部还有一层薄薄的胶原蛋白膜加固，这种结构与牙釉质、贝壳相似，因此被誉为“大自然的完美包装”。
经典的“扔鸡蛋挑战”也与蛋壳特性相关。长期以来，人们普遍认为垂直扔鸡蛋效果最佳，这一观点与雷斯2012年的研究相符。然而，今年早些时候，雷斯在麻省理工学院的同事塔尔·科恩决定验证这一假设。科恩团队发现，在能量吸收是关键因素的情况下，水平放置的鸡蛋能吸收更多能量，在相同受力下压缩程度更大。后续实验证实，从相同高度落下时，水平放置的鸡蛋破裂率低于垂直放置的鸡蛋。
随着对蛋壳研究的深入，科学家开始探索其在太空防护中的应用。美国国家航空航天局2021年报告显示，近地轨道上约有3.4万块大于10厘米的碎片、约90万块1至10厘米的碎片以及约1.28亿块小于1厘米的碎片。这些碎片速度极高，即使是最小的颗粒也可能对航天器造成损害。
目前，航天器通常依靠惠普尔防护罩抵御碎片撞击。这种防护罩配有薄外层缓冲结构，缓冲层与舱壁之间留有间隙，通过击碎来袭碎片颗粒并将撞击能量分散到更大面积来保护航天器。数十年来，惠普尔防护罩不断改进，出现了多层缓冲结构和“填充式”设计。
为进一步提升防护能力，最新研究提出了一种借鉴蛋壳几何形状和生物力学特性的设计方案。研究团队通过3D打印制作了三种铝制结构：纯铝板、夹在铝板之间的充水铝球以及充水的蛋壳状结构。通过多次模拟高速撞击情况并进行轻气炮实验，他们发现充水的蛋壳形阵列效果最佳，能将弹丸速度降低近65%，而单纯铝板仅能降低51%。水填充物在耗散撞击能量方面发挥了重要作用，其晃动能防止撞击波进一步传播。
研究还测试了不同的蛋壳排列方式，发现将鸡蛋竖直放置、窄端朝上与顶部铝板接触的配置最有效。论文合著者、大连理工大学的王雨欣表示：“单个蛋壳局部受力易破裂，但蛋壳阵列的防护机制不同。蛋壳单元协同变形，能将局部撞击负荷转化为整个超材料结构的分布式能量耗散，显著提升抗撞击性能。我们希望这项研究能引发更多对仿生防护结构的关注。”该研究成果已发表在《应用物理学杂志》上。
