科学家从汉字中找到了设计超强材料灵感

2026-04-22 | 来源: MIT科技评论 | 转到微信 | 有0人参与评论 | 字体: 放大缩小 | 收藏 | 打印

折纸艺术曾启发工程师设计出可折叠的航天结构，伊斯兰几何图案曾为材料学家提供抗振骨架的灵感。凡是人类文化中出现过的几何形式，似乎都有可能成为新一代功能材料的结构源泉。但你是否想过，中华文明书写了数千年的文字，其形状也会成为高性能材料的设计蓝图？

4 月 21 日，爱丁堡大学（The University of Edinburgh）的研究人员在《应用物理学杂志》（Journal of Applied Physics）上发表了一篇颇为新颖的论文，他们将汉字“人”“大”“天”“夫”的字形转化为超材料的结构单元，并通过压缩实验探究其机械性能，最终发现，汉字中特有的弧线、横撇和方形框架中，蕴藏着可以为工程材料设计所用的力学规律。

机械超材料的底层逻辑：当“几何结构”决定物质命运

了解这项研究之前，我们有必要先知道“机械超材料”（Mechanical Metamaterials）这一概念。“超材料”一词源自希腊语，意指“超越物质本身”，它描述的是一类性能主要由其几何排列结构决定、而非单纯由化学组成决定的人工材料。

传统材料的力学特性，如强度、刚度、韧性，很大程度上取决于其原子组成和化学键合方式。超材料的设计逻辑则截然不同：通过在微观或介观尺度上对结构单元进行精心的几何设计并阵列化，工程师可以赋予材料自然界罕见的物理特性。例如，横向拉伸时不收缩反而膨胀的负泊松比（Auxetic）效应、超轻却拥有极高比强度的多孔结构等。

这种“结构即性能”的设计哲学，使得超材料的研究空间极为广阔。研究者们的核心任务之一便是寻找并探索新的几何形式，看看哪些形状和结构能带来工程师所需要的特殊力学行为。

藏在文化图腾里的力学密码

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在这项爱丁堡大学的最新研究之前，从人类文化遗产中提取结构灵感的尝试已有先例。折纸艺术就是其中最广为人知的例子。日本折纸的几何折叠原理，尤其是“三浦折叠”（Miura-ori），因其特殊的机械双稳态效应，已被广泛应用于可重构超材料的设计，出现在航天展开结构、柔性电子器件以及软体机器人等场景中。

（来源：Journal of Applied Physics）

图 | 三浦折叠折痕图案和折叠形式。（来源：DOI:10.1109/OJAP.2021.3121102）

此外，来自伊朗卡拉甘双子陵塔（Kharraqan twin towers）的砖砌几何纹样，也曾被研究人员转化为双稳态辅助（auxetic）超材料的设计原型。事实上，早在工程师开始系统研究之前，古代工匠就已经将某些具有优良力学性质的几何排列应用于建筑装饰之中，让今天的人们依然能够从这些漫长实践智慧的积淀中寻找灵感。