來自新海綿物種的啟示：簡化空間飛行器的工程設(shè)計

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)明了振動陀螺儀、根據(jù)蝙蝠的超聲波定位發(fā)明了雷達、根據(jù)魚通過魚鰾上浮下沉發(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)讓他為之稱奇。他寫道：“這種動物就像是‘一個精致的聚寶盆’，一個由堅硬、閃亮、有彈性的線編織而成，類似于玻璃紡成的細(xì)毛。”

這海綿生物叫作 Eupletella aspergillum，它的骨骼確實是由玻璃做的，進一步講其實是海綿從海水中提取的酸合成而來。另外，它還有一個非常好聽的綽號，叫 “維納斯的花籃”。

180 年后，科學(xué)家們?nèi)匀粚@種獨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)。他們最近的一項實驗研究表明：它的骨骼異常堅固，以至于幾乎無法破壞掉?！斑@有點像工程設(shè)計的圣杯?！?亞利桑那州立大學(xué)工程學(xué)副教授 Dhruv Bhate 說道。

這種海綿骨架的強度來源于其獨特的晶格模式。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)，但這絕不是一個簡單的體系結(jié)構(gòu)?！盉ertoldi 說。她們表示，構(gòu)成這種獨特骨架的玻璃梁與桁架有很多共同點。

相信大家都有所了解，桁架是用來穩(wěn)定橋梁和摩天大樓的梁的組合。一個多世紀(jì)以來，工程師們對桁架的首選設(shè)計就是堅固的格子 —— 由一個正方形網(wǎng)格組成，對角線在兩個方向上延伸以增加支撐?！耙恢币詠恚覀兌家韵嗤姆绞竭M行這種操作。” 團隊的研究生 Matheus Fernandes 說。

然而，這種海綿的骨架具有成對的雙向?qū)蔷€，而不是縱橫交錯在典型桁架上的單個對角線。這些線對彼此隔開，因此網(wǎng)格看起來像棋盤格，對角線每隔一個正方形交叉一次。

圖｜研究人員用計算機模擬晶格的受力（來源量子雜志）

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

在模擬和實驗中，他們發(fā)現(xiàn)仿生晶格在斷裂前承受了最大的壓力，首先是來自一個方向的壓縮，然后是來自另一個測試中三個點的反向壓力。在進一步的模擬中，研究人員改變了對角線的數(shù)目、間距和厚度，以找到能夠承受最大壓縮的晶格。Fernandes 斯說：“通過增加對角線，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。”

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)計的晶格申請專利。在不增加重量的情況下增加建筑結(jié)構(gòu)的強度，理論上可以使橋梁更長、基礎(chǔ)設(shè)施更輕、運輸更方便，甚至可以甚至可以簡化空間飛行器的工程設(shè)計。普渡大學(xué)土木工程教授 Pablo Zavattieri 說：“經(jīng)過數(shù)百萬年的進化，反復(fù)試驗的過程產(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，但這種壓力來自各個方向，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并不會受到擠壓力?！?美國亞利桑那州立大學(xué)的生物學(xué)家 Clint Penick 說。

Penick 表示，海綿確實需要堅固的結(jié)構(gòu)才能站立并從水中過濾浮游生物?！八麄儓怨痰墓趋肋€可以阻止天敵或防止可能與他們相撞的動物造成傷害?！?他補充道。

強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濾水。

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

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

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