提起海綿,人們都會覺得這是鬆軟的結構。但是哈佛的研究人員借鑒一種海洋生物的海綿骨骼的新型承重結構,可以建造更堅固的大樓、更長的橋樑、更輕的太空船。

這是生活在深海區域的玻璃海綿(Euplectella aspergillum),裏面具有二氧化矽構成的骨針而得名。它與甲殼類生物共生,比如常有一公一母兩隻蝦生活在裏面。經過加工後人們把它作為一種象徵愛情的紀念品,因此它也叫「維納斯的花籃」。

研究人員發現,它的四角晶格結構稍微有些特殊,每個四角形都由對角線進一步加固。它的強度和重量之比超過幾十年來建築業和橋樑設計所使用的結構。

「我們發現這種海綿生物的對角加固策略,使材料達到最高的堅固性,我們只需在現有材料內部巧妙地按照這種結構排列,就能造出更強的結構體。」哈佛大學約翰・保爾森工程與應用科學學院(SEAS)研究員費爾南德斯(Matheus Fernandes)說。

「在很多領域,比如航空航天工程,強度重量比是一個重要的指標,借鑒生物身上的幾何形狀,為我們在大量應用領域設計更輕、更堅固的結構提供了新的思路。」合作研究者韋弗(James Weaver)說。

僅從表面上看,19世紀初城建設計師湯恩(Ithiel Town)已經提出帶對角支撐的四角結構並申請了專利。

費爾南德斯說,但是它還沒達到理想的狀態,比如比較浪費材料,可搭建的樓高也受限。所以這份研究想解決的主要問題是,是否能從材料分佈的角度提高結構的效率,用更少的材料獲得相同的強度?

研究者表示,有近五億年演化歷史的玻璃海綿有著更先進的結構——用兩套平行的對角支撐結構互相交錯,固定在底層的四角網格上,形成了堅固的棋盤佈局。

「我們研究海綿結構體已有二十多年了,這些生物仍然帶給我們驚喜。」韋弗說。

在模擬實驗中,研究人員複製這種結構與現有的晶格結構對比,這種結構的強度超出20%,使用兩組平行的對角支撐結構交錯的辦法,無需使用更多的材料就達到了加固的效果。

這份研究近期發表在《自然—材料》(Nature Materials)期刊上。#