浙江大学《自然·通讯》：仿生墨鱼骨结构实现轻质材料能量吸收新突破

在汽车、航空航天和军事防护等战略领域，工程材料始终面临着一个根本性矛盾：如何同时实现低密度与高能量吸收。传统轻质材料要么密度过低导致力学性能不足，要么强度达标却牺牲了轻量化优势。尽管研究者尝试了纳米材料增强、超分子网络设计和剪切增稠流体浸润等多种策略，但这些基于分子设计的方法始终受限于基体材料固有性能的耦合效应——强度与密度之间的此消彼长难以打破。自然界经过亿万年进化，为这一难题提供了精妙的解决方案：墨鱼骨凭借其独特的墙-隔板（wall-septum）多级孔结构，在超过90%的孔隙率下依然保持出色的力学效率，成为高性能轻质材料的理想仿生模板。

受墨鱼骨独特结构的启发，浙江大学柏浩教授团队开发了一种基于环氧树脂的轻质多孔材料，通过逐层冷冻铸造技术精确复现了天然墨鱼骨的墙-隔板架构。该材料在密度仅为0.55 g/cm³的条件下，实现了34.5 J/g的比能量吸收，展现出优异的压缩强度和抗冲击性能。在纵向（沿墙体排列方向）压缩条件下，该仿生结构的准静态比强度和比能量吸收较传统各向同性结构分别提升260%和109%，较单向性结构分别提升20%和17%；在4500 s⁻¹的高应变率下，其动态比能量吸收较各向同性和单向性结构分别提升190%和66%。相关论文以“Programmed cryogenic fabrication of cuttlebone-inspired lightweight cellular materials with enhanced energy absorption”为题，发表在Nature Communications上，为轻质高强能量吸收材料的设计提供了全新思路。

分层冷冻铸造：精准复现天然结构

天然墨鱼骨具有由平行隔板分隔的定向排列波状墙体，这种整合的墙-隔板结构赋予其高刚度、出色的损伤容限和压缩能量吸收能力（图1a、1b、1c）。研究团队开发的逐层冷冻铸造技术巧妙利用了冰晶模板的自组装效应（图1d）。他们将环氧树脂水性分散液逐层定向冷冻，冰晶生长过程中将乳液液滴和固化剂排挤并组装成垂直排列的墙体；随后在冻结层表面涂覆未固化环氧树脂作为致密隔板，通过精确控制界面温度确保隔板与墙体之间的无缺陷融合。最终获得的仿生环氧树脂在宏观和微观尺度上均成功复现了天然墨鱼骨的特征（图1e、1f、1g）。这一工艺不仅避免了传统冷冻干燥对设备尺寸的限制，还可实现常压干燥，大幅降低了生产能耗。更值得一提的是，该技术赋予材料极高的设计灵活性——通过调整每层液体体积和固含量，可在不同墙体层之间引入高度或孔隙率梯度，并可定制圆板、圆柱、球壳等多种形状，满足头盔、管道乃至潜艇壳体等不同应用场景的需求。

图1 | 仿墨鱼骨结构环氧树脂的制备与结构表征。 a 天然墨鱼骨沿纵向剖切的光学照片。 b 扫描电镜图像显示墨鱼骨的微观结构，具有由平行隔板分隔的定向排列墙体。 c 放大扫描电镜图像显示墨鱼骨中墙体与隔板之间的连接。 d 墙-隔板多层结构的逐层制备流程示意图，主要包括环氧乳液定向冷冻以构建定向墙体，以及致密环氧隔板的涂覆。 e 仿墨鱼骨结构环氧树脂的光学照片。 f 扫描电镜图像显示环氧树脂的仿生微观结构。 g 放大扫描电镜图像显示环氧树脂墙体与致密环氧隔板之间的连接。

准静态压缩：致密隔板的双重增强机制

在准静态压缩测试中，研究人员系统比较了各向同性、单向性和仿生墙-隔板三种结构在纵向压缩下的力学响应（图2a）。结果显示，墙-隔板结构在应力-应变曲线中展现出明显的屈服行为和持续上升的应力平台（图2b）。有限元模拟揭示：在10%压缩应变下，单向性结构的垂直墙体发生严重屈曲变形，应力集中在局部区域；而墙-隔板结构中，致密隔板如同"钢筋"般抑制了薄壁墙体的弯曲变形，使应力在孔壁间均匀分布（图2c）。力学数据表明，在纵向压缩条件下，墙-隔板结构的比强度分别比各向同性和单向性结构提升260%和20%，比能量吸收分别提升109%和17%（图2d）。光学原位观察进一步发现，各向同性结构在压缩过程中发生相对均匀的横向变形，单向性结构则出现显著的侧向膨胀和墙体弯曲，而墙-隔板结构的横向变形被致密隔板强烈约束（图2e）。泊松比测量证实，墙-隔板结构展现出极低的泊松比（约0.1），显著低于其他两种结构（图2f），实现了逐层渐进失效而非整体坍塌，从而在更宽的应变范围内持续吸收能量。在0.10至0.55 g/cm³的密度范围内，墙-隔板结构的强度-密度标度指数仅为2.0，远低于单向性结构的2.3和各向同性结构的2.6，表明其在密度降低时力学性能衰减更慢，特别适合超轻量化设计需求。与其他典型吸能材料相比，该仿生材料在比能量吸收方面优于同等密度下的人工点阵材料和金属泡沫（图2g）。

图2 | 不同结构环氧树脂的准静态压缩性能。 a 各向同性、单向性和墙-隔板结构环氧树脂的示意图。 b 三种不同结构环氧树脂的压缩应力-应变曲线。 c 三种不同结构环氧树脂在压缩（应变=10%）条件下的有限元模拟。 d 三种环氧树脂的比强度和比能量吸收比较。 e 三种不同结构环氧树脂准静态压缩过程的光学图像。原位图像中的红色虚线框代表压缩前试样的轮廓。 f 三种不同结构环氧树脂泊松比的比较。 g 仿墨鱼骨结构环氧树脂与其他吸能多孔材料的比能量吸收与密度关系对比（聚合物泡沫、聚合物点阵、金属泡沫、金属点阵）。误差棒代表标准差（SD），数据为均值±SD（d图中n=5个样品，f图中n=3个样品）。

结构参数优化：寻找性能最佳平衡点

为最大化能量吸收效率，团队系统优化了墙体高度和隔板厚度两个关键参数。扫描电镜图像显示了不同墙体高度的多孔墙层结构（图3a）。实验表明，当墙体高度从3 mm降至1 mm时，压缩强度显著提升（图3b）——这符合欧拉屈曲方程中临界屈曲载荷与柱体长度成反比的预测。然而，墙体过矮意味着隔板占比增加，导致材料整体密度上升，同时密实化应变降低（例如，当墙体高度从3 mm降至1 mm时，密实化应变从59%降至49%），反而削弱了总能量吸收。综合权衡下，2 mm的墙体高度实现了最优比能量吸收（图3c）。对于隔板厚度，不同厚度的环氧隔板扫描电镜图像显示了结构的可调性（图3d）。在墙体高度固定为2 mm的条件下，当隔板厚度低于0.2 mm时，其刚度和强度不足以约束墙体的侧向变形，导致应力平台低迷甚至下降；而厚度过大则过早引发密实化（图3e）。最终确定约0.2 mm为最佳隔板厚度，此时材料在保持低密度的同时获得最高的比能量吸收（图3f）。

图3 | 仿墨鱼骨结构环氧树脂的墙-隔板结构优化。 a 不同墙体高度的多孔墙层扫描电镜图像。 b 不同墙体高度环氧树脂的应力-应变曲线。 c 不同墙体高度环氧树脂比能量吸收的统计数据。 d 不同隔板厚度的环氧隔板扫描电镜图像。 e 不同隔板厚度环氧树脂的应力-应变曲线。 f 不同隔板厚度环氧树脂比能量吸收的统计数据。误差棒代表标准差（SD），数据为均值±SD（n=5个样品）。

动态冲击响应：微惯性协同增强效应

利用分离式霍普金森压杆（SHPB）技术（图4a），研究团队在1500~4500 s⁻¹的高应变率范围内评估了材料的动态冲击性能。动态压缩应力-应变曲线显示，三种结构均表现出明显的应变率硬化行为，但墙-隔板结构展现出独特的力学响应：虽然初始阶段应力急剧上升后出现短暂跌落，但后续应力平台不仅维持高位，还随应变增加持续上升——这一特征与其准静态压缩行为一致，证实了结构在高应变率下的稳定性（图4b）。在4500 s⁻¹条件下，墙-隔板结构的比能量吸收分别比各向同性和单向性结构高出190%和66%（图4c）。峰值应力随应变率的变化趋势表明，墙-隔板结构的应力增长最为显著（图4d）。动态增强因子（DIF）分析证实，墙-隔板结构的DIF值在各应变率下均高于其他两种结构，展现出更大的动态增强效应（图4e）。团队将这一优异表现归因于致密隔板作为拓扑节点对垂直墙体的几何约束，这种约束在高应变率下与单根墙体的微惯性效应产生协同作用，有效延迟了侧向屈曲的发生。与其他环氧基材料相比，该仿生结构的DIF值显著优于已有报道的多种材料（图4f）。

图4 | 不同结构环氧树脂的高应变率压缩性能。 a 高应变率压缩测试的分离式霍普金森压杆系统示意图。 b 各向同性、单向性和墙-隔板结构环氧树脂的动态压缩应力-应变曲线。 c 动态压缩过程中三种不同结构环氧树脂比能量吸收的比较。 d 三种不同结构环氧树脂在不同应变率下峰值应力的比较。 e 三种不同结构环氧树脂动态增强因子的比较。 f 墙-隔板结构环氧树脂与其他环氧基材料的动态增强因子比较。误差棒代表标准差（SD），数据为均值±SD（n=3个样品）。

冲击防护验证：超越传统商用泡沫

为验证实际应用潜力，研究团队设计了模拟城市交通碰撞的落球冲击实验：300 g钢球从10米高度释放（速度约50 km/h），撞击覆盖在玻璃板上的不同吸能材料（图5a）。高速摄像记录显示，商用硬质PVC泡沫和PU泡沫以及单向性结构环氧面板均未能有效保护下方玻璃，导致严重破损。相比之下，墙-隔板结构环氧面板仅在冲击区域产生局部裂纹和压痕，玻璃完好无损。进一步测试表明，该结构能承受更高的释放高度（冲击速度超过50 km/h）而不致玻璃破裂（图5b），这得益于致密隔板同时抵抗压缩和弯曲变形的双重功能。得益于常压干燥工艺的便利性，研究团队已成功制备出30×30×2 cm³的大型仿生环氧面板，尺寸超越天然墨鱼骨（图5c）。环境适应性测试显示，相较于室温（20°C）下的性能，该材料在0°C下比能量吸收提升17%，在40°C下仅下降14%，证实其在复杂环境中的可靠性。

图5 | 仿墨鱼骨结构环氧树脂的冲击防护性能。 a 落球冲击测试装置示意图，以及300 g钢球以50 km/h速度撞击时，由硬质PVC泡沫、硬质PU泡沫、单向性环氧和墙-隔板环氧保护的玻璃在冲击瞬间的快照。 b 不同吸能材料能够承受以保护玻璃不被击碎的最大落球高度及相应冲击速度。 c 大型仿墨鱼骨环氧面板（30×30×2 cm）与天然墨鱼骨的光学照片。误差棒代表标准差（SD），数据为均值±SD（n=5个样品）。

总结与展望

本研究通过模仿天然墨鱼骨的独特墙-隔板结构，结合逐层冷冻铸造技术，成功开发出兼具优异准静态和动态力学性能的轻质环氧树脂多孔材料。致密隔板的引入不仅提高了结构抗屈曲稳定性，还在压缩过程中提供了横向约束效应，并在高应变率下通过微惯性协同机制实现显著的应力增强。该材料在大尺寸制备和环境适应性方面的表现，进一步证明了其从实验室走向实际应用的可能性。这种仿生结构设计策略为开发新一代轻质高强能量吸收材料提供了通用平台，有望在个人防护装备、轻量化交通工具和航空航天等对结构效率和冲击安全性有着苛刻要求的领域发挥重要作用。