在自然界中，许多生物只依靠几种简单成分，却通过精妙的多层级结构实现截然不同的力学性能。昆虫表皮便是典型代表：几丁质与表皮蛋白协同构筑，从坚硬外壳到柔软关节都能兼顾防护与柔韧。钻蛀性害虫亚洲玉米螟在取食过程中反复穿透玉米茎秆，头部持续承受钻蛀冲击载荷却依然保持完好，其头壳内层表皮呈现外硬内韧、层状分级的精细结构，被认为是耐冲击材料设计中极具启发性的结构原型。

近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）梁翔禹团队与大连理工大学刘田团队合作，在国际材料学权威期刊《先进材料（Advanced Materials）》上发表题为“A Protein-managed Hydrogel Biomimicked by Insect Cuticle Enabling Ultra-durable Impact Resistance”的研究论文。该研究受亚洲玉米螟启发，研制出新型仿生层状蛋白-几丁质水凝胶，经检测，该仿生水凝胶的抗冲击性能比传统蛋白质或几丁质水凝胶提高了超千倍。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202519427

一图读懂

研究团队系统解析了亚洲玉米螟头壳内层表皮的蛋白组成（图1a-e），锁定高丰度表皮蛋白OfCPH-2，并在体外实现高效表达与纯化。研究人员采用二元溶剂诱导自组装策略（图1f），将OfCPH-2与几丁质协同构筑出仿生层状水凝胶，由于多尺度能量耗散机制协同作用，实现材料的抗冲击性能提升至约23534 J·m(-2)，比传统蛋白质或几丁质水凝胶提高逾千倍。进一步的测试表明，这一仿生层状蛋白-几丁质水凝胶在循环冲击条件下具有显著的能量耗散与性能稳定性，可作为轻质耐冲击材料应用于仿生飞行器等智能农机装备（图1g）。

图1|仿生耐冲击水凝胶的设计、制备与应用

在结构层面，研究揭示了仿生耐冲击BM水凝胶中层状结构的形成机制（图2）。纯几丁质呈纤维网络、纯蛋白呈松散结构，而二者在OfCPH-2的调控下可协同自组装成致密、取向良好的多级层片。激光共聚焦成像与X射线散射证实，这些层片在湿态下依然保持高度有序，晶体尺寸、层间距与取向度均显著提升，呈现类似昆虫表皮的精细排布（图2b-g）。进一步分析发现，蛋白的多位点弱结合填补了几丁质微纤维间的空隙，促进其在低浓度条件下也能规律堆叠，形成稳定层状骨架。正是这种“蛋白调控几丁质有序化”的协同效应，为后续卓越的耐冲击性能奠定了结构基础。

图2| 水凝胶的层状结构的表征

在力学性能方面，片层结构显著提升了材料的耐冲击能力。准静态穿刺实验和力学模拟表明，BM水凝胶在受冲击时能够将局部载荷分散到多层结构中，单层能量耗散量较均质对照材料提高约16倍（图3a–f）。更为关键的是，在湿态下循环冲击测试中，BM水凝胶展现出接近昆虫表皮的耐冲击特性，其抗冲击疲劳阈值相对于蛋白水凝胶和几丁质水凝胶分别提高约1032倍和31倍（图3g、h）。在超过30000次循环冲击后，BM水凝胶整体结构仍保持完整，而对照组水凝胶已相继失效（图3i），从实验与模拟两个层面印证了片层结构与多尺度能量耗散机制在构筑超高耐冲击性能中的关键作用。

图3 | 水凝胶层级结构对耐冲击性能的贡献

进一步地，研究团队从多尺度揭示了BM水凝胶的能量耗散机制（图4）。首先，OfCPH-2 可在水相中特异结合几丁质，并与其协同形成稳定的层状结构（图4a、b）。其次，流变测试表明材料在不同频段下依次发生氢键和疏水作用的破裂，体现多级相互作用参与耗能（图4c）。分子动力学模拟进一步显示蛋白可在多个位点弱吸附几丁质链，稳定构筑整体骨架（图4d、e）。同时，循环冲击会促使蛋白α-螺旋逐渐解折叠，通过断裂氢键进一步耗散能量（图4f–l）。这些机制共同赋予BM水凝胶卓越的耐冲击与疲劳性能。

图4|耐冲击水凝胶的能量耗散机理

最后，研究团队将仿生耐冲击BM水凝胶装配到农业害虫侦查无人机防撞支架上，构建“防撞＋识虫”一体化平台（图5a）。在森林果园等布满树枝和障碍物的复杂环境中，以约4 m/s 进行连续碰撞飞行测试时，未装配BM水凝胶的无人机在首次碰撞后即失稳下坠、支架受损，而装配仿生耐冲击BM水凝胶的无人机仅出现短暂姿态波动后便恢复稳定飞行，机体结构完好，整体图像清晰度得分提高至85.4±33.0，约为裸机的6倍（图5b、c）。在此基础上，研究者利用碰撞工况下采集的图像训练并验证卷积神经网络和轻量化MobileNet V2模型，结果表明在多类果树害虫识别任务中仍保持较高识别准确率与鲁棒性（图5d-g），进一步证明该BM水凝胶在频繁撞击和强干扰环境下既能有效?；せ?，又能保障数据质量和识虫性能。

图5|耐冲击水凝胶在农业害虫检测无人机上的应用

综上，这项研究借鉴了亚洲玉米螟幼虫头壳的层状结构，通过关键蛋白OfCPH-2与几丁质的共组装，创造出一种具有超强耐冲击性的仿生水凝胶。该材料能通过多尺度机制高效耗散能量，耐冲击性能提升超千倍。该特异性结构蛋白直接作用于几丁质材料共组装形成整齐排列的多级结构，为新一代仿生材料的设计与制造提供了新思路；在无人机等需要承受反复机械冲击和意外碰撞的应用场景中，该材料可作为关键防护层提升机体安全性和作业可靠性，并有望进一步拓展至电子与传感器件的耐冲击防护层，以及对耐冲击性能有严格需求的机器人等领域。

大连理工大学与中国农业科学院深圳农业基因组研究所联培硕士生吴凯、中国农业科学院深圳农业基因组研究所科研助理陆成邦、大连理工大学博士生原烽堠、大连理工大学与中国农业科学院深圳农业基因组研究所联培硕士生宋炳辉分别为该论文的共同第一作者。中国农业科学院深圳农业基因组研究所梁翔禹研究员和大连理工大学刘田教授的共同通讯作者。感谢南方科技大学刘吉教授、华南理工大学孙桃林教授、中国农业科学院深圳农业基因组研究所纪宏超研究员、南方科技大学郑?；淌?、麻省理工学院雷科文博士（现为中科院苏州纳米所研究员）、中科院先进院张华威研究员等对本研究工作的支持。

该研究得到了国家自然科学基金、中国农业科学院“优秀青年英才”计划和创新工程项目、广东省自然科学基金、湖南省自然科学基金、深圳市自然科学基金、深圳大鹏新区博后资助等支持。感谢上海同步辐射装置、大连理工大学检测中心、南方科技大学检测中心和中国农业科学院深圳农业基因组研究所超级计算中心的支持。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202519427