来自海绵骨架的启示：可简化空间飞行器的工程设计

图｜一种叫作 “维纳斯的花篮” 的海（来源量子杂志）

仿生学广泛应用于科学领域，比如人们根据苍蝇飞行维持平衡的平衡棒发明了振动陀螺仪、根据蝙蝠的超声波定位发明了雷达、根据鱼通过鱼鳔上浮下沉发明了潜水艇等等，这样的例子还有很多。

1841 年，英国生物学家 Richard Owen 在菲律宾附近发现的一种新海绵物种，其复杂的骨架结构让他为之称奇。他写道：“这种动物就像是‘一个精致的聚宝盆’，一个由坚硬、闪亮、有弹性的线编织而成，类似于玻璃纺成的细毛。”

这海绵生物叫作 Eupletella aspergillum，它的骨骼确实是由玻璃做的，进一步讲其实是海绵从海水中提取的酸合成而来。另外，它还有一个非常好听的绰号，叫 “维纳斯的花篮”。

180 年后，科学家们仍然对这种独特的海绵生物感到惊奇。比如它拥有惊人的寿命，能存活上千年之久；能够以光纤的方式将光通过硅丝。在近 20 年里，哈佛大学的一群生物学家、材料科学家和工程师们一直致力于研究这种海绵生物，探究其玻璃骨架的复杂架构。他们最近的一项实验研究表明：它的骨骼异常坚固，以至于几乎无法破坏掉。“这有点像工程设计的圣杯。” 亚利桑那州立大学工程学副教授 Dhruv Bhate 说道。

图｜海绵骨骼放大图（来源量子杂志）

这种海绵骨架的强度来源于其独特的晶格模式。早在 20 年前，这种结构便首先引起了哈佛材料科学家和化学家 Joanna Aizenberg 的兴趣，而 Aizenberg 最近研究的合著者之一 katia Bertoldi，她看到这种独特格子图案的第一眼就被它迷住了。“这是一种周期性的体系结构，但这绝不是一个简单的体系结构。”Bertoldi 说。她们表示，构成这种独特骨架的玻璃梁与桁架有很多共同点。

相信大家都有所了解，桁架是用来稳定桥梁和摩天大楼的梁的组合。一个多世纪以来，工程师们对桁架的首选设计就是坚固的格子 —— 由一个正方形网格组成，对角线在两个方向上延伸以增加支撑。“一直以来，我们都以相同的方式进行这种操作。” 团队的研究生 Matheus Fernandes 说。

然而，这种海绵的骨架具有成对的双向对角线，而不是纵横交错在典型桁架上的单个对角线。这些线对彼此隔开，因此网格看起来像棋盘格，对角线每隔一个正方形交叉一次。

图｜研究人员用计算机模拟晶格的受力（来源量子杂志）

研究人员制作并用计算机模拟了一个基于这种海绵骨架的格子模型，并将其与其他三个重量相同的格子结构（包括标准桁架图案）进行了比较。

在模拟和实验中，他们发现仿生晶格在断裂前承受了最大的压力，首先是来自一个方向的压缩，然后是来自另一个测试中三个点的反向压力。在进一步的模拟中，研究人员改变了对角线的数目、间距和厚度，以找到能够承受最大压缩的晶格。Fernandes 斯说：“通过增加对角线，海绵的格子比传统的桁架具有更多的接缝，并且接缝之间的距离更短，这可以使结构在屈曲之前承受更大的压缩。”

研究人员还正在为他们创造的这种受海绵启发而设计的晶格申请专利。在不增加重量的情况下增加建筑结构的强度，理论上可以使桥梁更长、基础设施更轻、运输更方便，甚至可以甚至可以简化空间飞行器的工程设计。普渡大学土木工程教授 Pablo Zavattieri 说：“经过数百万年的进化，反复试验的过程产生了更好的材料。”

然而，就这种海绵而言，其骨骼不可压缩性的进化目的还尚不明确。众所周知，海绵通常生活在几千米的深海，那里的水压非常大，但这种压力来自各个方向，均匀地压在海绵骨骼玻璃梁的两侧，从而抵消了自身的压力。“海绵并不会受到挤压力。” 美国亚利桑那州立大学的生物学家 Clint Penick 说。

Penick 表示，海绵确实需要坚固的结构才能站立并从水中过滤浮游生物。“他们坚固的骨骼还可以阻止天敌或防止可能与他们相撞的动物造成伤害。” 他补充道。

强大的抗压性不是这种海绵的全部特征，它骨架的晶格壁只是其结构的几个复杂层次之一。微观上可以研究它的纤维是如何在其晶格壁内发生轻微位移的，或者它的蛋白质和二氧化硅分子的排列是如何阻止其轨道上的断裂的；宏观上可以探究这种骨架如何使海绵过滤水。

Bhate 的团队正在研究一些线与其他线不完全相连的方式从而使骨架具有柔韧性，并且他还对这种结构经受扭曲的方式感到好奇。“这是你可以花一辈子时间去做的事情，但你仍然没有复制所有这些能力，而这恰恰是它令人兴奋的原因。”Bhate 说。