深海海绵有望助建新一代摩天大楼

深海海绵阿氏偕老同穴的骨架结构。

玻璃海绵骨架（左）向焊接钢筋基斜条格构的过渡（渲染效果）。

每当谈及海绵，我们的脑海中往往会浮现出一团柔软、黏糊糊的物质。《自然·材料学》杂志当地时间9月21日报道，美国哈佛大学工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员受深海海绵（Euplectella aspergillum）的骨骼结构启发，正致力于将它的“对角增强”格状骨架运用于新一代高楼、桥梁及轻型航天器的建设中。

这种格状骨架具有比传统斜条格构更高的强度质量比。

论文作者、SEAS研究生Matheus Fernandes说：“我们发现，Euplectella aspergillum的对角强化策略，使其能在给定材料数量下达到最强抗弯性。借鉴这种策略，工程师们可以重新设计现有材料的排布方式，从而构建更强大、更具弹性的结构。”

论文作者、SEAS资深科学家James Weaver补充说：“在航空航天工程等领域，结构的强度质量比是非常重要的。我们设计的这种仿生几何结构，可以为更轻便更稳固的应用设计提供思路。”

对角格结构常见于带顶棚的桥和金属储存架中。这种结构设计通过许多小型、紧密间隔的对角梁均匀分摊载荷，并且一直沿用至今。

Fernandes提出质疑：“这种方法有一些缺点，例如浪费材料、建造高度受限等。我们能否从材料分配的角度出发，用最少的材料达到最高的强度？”

这时，来自深海的玻璃海绵进入了Fernandes团队的视野。玻璃海绵为了支撑自己的管状体，将两套平行的对角骨骼支柱交叉、融合到正方形网格中，形成了一组稳固的棋盘状图案。Weaver说：“20多年来，我们一直在研究海绵骨骼系统的结构-功能关系。然而时至今日，这个物种仍然让我们感到惊讶。”

在模拟实验中，研究人员发现，仿生海绵系统可将整体结构强度提高20%以上，并且无需额外添加任何材料就能达到这一效果。

论文作者、SEAS应用力学教授Katia Bertoldi评价道：“海绵骨骼系统可延迟结构失稳，推动材料在现代基础设施建设中的合理化应用。”

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