仿生學(xué)廣泛應(yīng)用于科學(xué)領(lǐng)域，比如人們根據(jù)蒼蠅飛行維持平衡的平衡棒發(fā)明了振動(dòng)陀螺儀、根據(jù)蝙蝠的超聲波定位發(fā)明了雷達(dá)、根據(jù)魚(yú)通過(guò)魚(yú)鰾上浮下沉發(fā)明了潛水艇等等，這樣的例子還有很多。

1841 年，英國(guó)生物學(xué)家 Richard Owen 在菲律賓附近發(fā)現(xiàn)的一種新海綿物種，其復(fù)雜的骨架結(jié)構(gòu)讓他為之稱(chēng)奇。他寫(xiě)道：“這種動(dòng)物就像是‘一個(gè)精致的聚寶盆’，一個(gè)由堅(jiān)硬、閃亮、有彈性的線(xiàn)編織而成，類(lèi)似于玻璃紡成的細(xì)毛?！?/p>

這海綿生物叫作 Eupletella aspergillum，它的骨骼確實(shí)是由玻璃做的，進(jìn)一步講其實(shí)是海綿從海水中提取的酸合成而來(lái)。另外，它還有一個(gè)非常好聽(tīng)的綽號(hào)，叫 “維納斯的花籃”。

180 年后，科學(xué)家們?nèi)匀粚?duì)這種獨(dú)特的海綿生物感到驚奇。比如它擁有驚人的壽命，能存活上千年之久；能夠以光纖的方式將光通過(guò)硅絲。在近 20 年里，哈佛大學(xué)的一群生物學(xué)家、材料科學(xué)家和工程師們一直致力于研究這種海綿生物，探究其玻璃骨架的復(fù)雜架構(gòu)。他們最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究表明：它的骨骼異常堅(jiān)固，以至于幾乎無(wú)法破壞掉?！斑@有點(diǎn)像工程設(shè)計(jì)的圣杯?！?亞利桑那州立大學(xué)工程學(xué)副教授 Dhruv Bhate 說(shuō)道。

這種海綿骨架的強(qiáng)度來(lái)源于其獨(dú)特的晶格模式。早在 20 年前，這種結(jié)構(gòu)便首先引起了哈佛材料科學(xué)家和化學(xué)家 Joanna Aizenberg 的興趣，而 Aizenberg 最近研究的合著者之一 katia Bertoldi，她看到這種獨(dú)特格子圖案的第一眼就被它迷住了?！斑@是一種周期性的體系結(jié)構(gòu)，但這絕不是一個(gè)簡(jiǎn)單的體系結(jié)構(gòu)?！盉ertoldi 說(shuō)。她們表示，構(gòu)成這種獨(dú)特骨架的玻璃梁與桁架有很多共同點(diǎn)。

相信大家都有所了解，桁架是用來(lái)穩(wěn)定橋梁和摩天大樓的梁的組合。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，工程師們對(duì)桁架的首選設(shè)計(jì)就是堅(jiān)固的格子 —— 由一個(gè)正方形網(wǎng)格組成，對(duì)角線(xiàn)在兩個(gè)方向上延伸以增加支撐?！耙恢币詠?lái)，我們都以相同的方式進(jìn)行這種操作。” 團(tuán)隊(duì)的研究生 Matheus Fernandes 說(shuō)。

然而，這種海綿的骨架具有成對(duì)的雙向?qū)蔷€(xiàn)，而不是縱橫交錯(cuò)在典型桁架上的單個(gè)對(duì)角線(xiàn)。這些線(xiàn)對(duì)彼此隔開(kāi)，因此網(wǎng)格看起來(lái)像棋盤(pán)格，對(duì)角線(xiàn)每隔一個(gè)正方形交叉一次。

圖｜研究人員用計(jì)算機(jī)模擬晶格的受力（來(lái)源量子雜志）

研究人員制作并用計(jì)算機(jī)模擬了一個(gè)基于這種海綿骨架的格子模型，并將其與其他三個(gè)重量相同的格子結(jié)構(gòu)（包括標(biāo)準(zhǔn)桁架圖案）進(jìn)行了比較。

在模擬和實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)仿生晶格在斷裂前承受了最大的壓力，首先是來(lái)自一個(gè)方向的壓縮，然后是來(lái)自另一個(gè)測(cè)試中三個(gè)點(diǎn)的反向壓力。在進(jìn)一步的模擬中，研究人員改變了對(duì)角線(xiàn)的數(shù)目、間距和厚度，以找到能夠承受最大壓縮的晶格。Fernandes 斯說(shuō)：“通過(guò)增加對(duì)角線(xiàn)，海綿的格子比傳統(tǒng)的桁架具有更多的接縫，并且接縫之間的距離更短，這可以使結(jié)構(gòu)在屈曲之前承受更大的壓縮?！?/p>

研究人員還正在為他們創(chuàng)造的這種受海綿啟發(fā)而設(shè)計(jì)的晶格申請(qǐng)專(zhuān)利。在不增加重量的情況下增加建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，理論上可以使橋梁更長(zhǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施更輕、運(yùn)輸更方便，甚至可以甚至可以簡(jiǎn)化空間飛行器的工程設(shè)計(jì)。普渡大學(xué)土木工程教授 Pablo Zavattieri 說(shuō)：“經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化，反復(fù)試驗(yàn)的過(guò)程產(chǎn)生了更好的材料?！?/p>

然而，就這種海綿而言，其骨骼不可壓縮性的進(jìn)化目的還尚不明確。眾所周知，海綿通常生活在幾千米的深海，那里的水壓非常大，但這種壓力來(lái)自各個(gè)方向，均勻地壓在海綿骨骼玻璃梁的兩側(cè)，從而抵消了自身的壓力?！昂＞d并不會(huì)受到擠壓力?！?美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的生物學(xué)家 Clint Penick 說(shuō)。

Penick 表示，海綿確實(shí)需要堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)才能站立并從水中過(guò)濾浮游生物?！八麄儓?jiān)固的骨骼還可以阻止天敵或防止可能與他們相撞的動(dòng)物造成傷害?！?他補(bǔ)充道。

強(qiáng)大的抗壓性不是這種海綿的全部特征，它骨架的晶格壁只是其結(jié)構(gòu)的幾個(gè)復(fù)雜層次之一。微觀上可以研究它的纖維是如何在其晶格壁內(nèi)發(fā)生輕微位移的，或者它的蛋白質(zhì)和二氧化硅分子的排列是如何阻止其軌道上的斷裂的；宏觀上可以探究這種骨架如何使海綿過(guò)濾水。

Bhate 的團(tuán)隊(duì)正在研究一些線(xiàn)與其他線(xiàn)不完全相連的方式從而使骨架具有柔韌性，并且他還對(duì)這種結(jié)構(gòu)經(jīng)受扭曲的方式感到好奇?！斑@是你可以花一輩子時(shí)間去做的事情，但你仍然沒(méi)有復(fù)制所有這些能力，而這恰恰是它令人興奮的原因?！盉hate 說(shuō)。

原文標(biāo)題：來(lái)自海綿骨架的啟示：可簡(jiǎn)化空間飛行器的工程設(shè)計(jì)

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