來自海綿骨架的啟示：可簡化空間飛行器的工程設計

仿生學廣泛應用于科學領域，比如人們根據蒼蠅飛行維持平衡的平衡棒發明了振動陀螺儀、根據蝙蝠的超聲波定位發明了雷達、根據魚通過魚鰾上浮下沉發明了潛水艇等等，這樣的例子還有很多。

1841年，英國生物學家Richard Owen在菲律賓附近發現的一種新海綿物種，其復雜的骨架結構讓他為之稱奇。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，科學家們仍然對這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，哈佛大學的一群生物學家、材料科學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雜架構。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。“這有點像工程設計的圣杯。”亞利桑那州立大學工程學副教授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，這種結構便首先引起了哈佛材料科學家和化學家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。“這是一種周期性的體系結構，但這絕不是一個簡單的體系結構。”Bertoldi說。她們表示，構成這種獨特骨架的玻璃梁與桁架有很多共同點。

一種叫作“維納斯的花籃”的海綿

海綿骨骼放大圖

相信大家都有所了解，桁架是用來穩定橋梁和摩天大樓的梁的組合。一個多世紀以來，工程師們對桁架的首選設計就是堅固的格子——由一個正方形網格組成，對角線在兩個方向上延伸以增加支撐。“一直以來，我們都以相同的方式進行這種操作。”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對角線，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，因此網格看起來像棋盤格，對角線每隔一個正方形交叉一次。

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構（包括標準桁架圖案）進行了比較。

在模擬和實驗中，他們發現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，這可以使結構在屈曲之前承受更大的壓縮。”

研究人員還正在為他們創造的這種受海綿啟發而設計的晶格申請專利。在不增加重量的情況下增加建筑結構的強度，理論上可以使橋梁更長、基礎設施更輕、運輸更方便，甚至可以甚至可以簡化空間飛行器的工程設計。普渡大學土木工程教授Pablo Zavattieri說：“經過數百萬年的進化，反復試驗的過程產生了更好的材料。”

研究人員用計算機模擬晶格的受力

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。因為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，從而抵消了自身的壓力。“海綿并不會受到擠壓力。”美國亞利桑那州立大學的生物學家Clint Penick說。

Penick表示，海綿確實需要堅固的結構才能站立并從水中過濾浮游生物。“他們堅固的骨骼還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構的幾個復雜層次之一。微觀上可以研究它的纖維是如何在其晶格壁內發生輕微位移的，或者它的蛋白質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，并且他還對這種結構經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，但你仍然沒有復制所有這些能力，而這恰恰是它令人興奮的原因。”Bhate說。■（摘自美《深科技》）