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科學家從漢字中找到了設計超強材料靈感
科學家從漢字中找到了設計超強材料靈感科學家從漢字中找到了設計超強材料靈感
折紙藝術曾啟發工程師設計出可折疊的航天結構，伊斯蘭幾何圖案曾為材料學家提供抗振骨架的靈感。凡是人類文化中出現過的幾何形式，似乎都有可能成為新壹代功能材料的結構源泉。但你是否想過，中華文明書寫了數千年的文字，其形狀也會成為高性能材料的設計藍圖？
4 月 21 日，愛丁堡大學（The University of Edinburgh）的研究人員在《應用物理學雜志》（Journal of Applied Physics）上發表了壹篇頗為新穎的論文，他們將漢字“人”“大”“天”“夫”的字形轉化為超材料的結構單元，並通過壓縮實驗探究其機械性能，最終發現，漢字中特有的弧線、橫撇和方形框架中，蘊藏著可以為工程材料設計所用的力學規律。
機械超材料的底層邏輯：當“幾何結構”決定物質命運
了解這項研究之前，我們有必要先知道“機械超材料”（Mechanical Metamaterials）這壹概念。“超材料”壹詞源自希臘語，意指“超越物質本身”，它描述的是壹類性能主要由其幾何排列結構決定、而非單純由化學組成決定的人工材料。
傳統材料的力學特性，如強度、剛度、韌性，很大程度上取決於其原子組成和化學鍵合方式。超材料的設計邏輯則截然不同：通過在微觀或介觀尺度上對結構單元進行精心的幾何設計並陣列化，工程師可以賦予材料自然界罕見的物理特性。例如，橫向拉伸時不收縮反而膨脹的負泊松比（Auxetic）效應、超輕卻擁有極高比強度的多孔結構等。
這種“結構即性能”的設計哲學，使得超材料的研究空間極為廣闊。研究者們的核心任務之壹便是尋找並探索新的幾何形式，看看哪些形狀和結構能帶來工程師所需要的特殊力學行為。
藏在文化圖騰裡的力學密碼
在這項愛丁堡大學的最新研究之前，從人類文化遺產中提取結構靈感的嘗試已有先例。折紙藝術就是其中最廣為人知的例子。日本折紙的幾何折疊原理，尤其是“叁浦折疊”（Miura-ori），因其特殊的機械雙穩態效應，已被廣泛應用於可重構超材料的設計，出現在航天展開結構、柔性電子器件以及軟體機器人等場景中。
（來源：Journal of Applied Physics）
圖 | 叁浦折疊折痕圖案和折疊形式。（來源：DOI:10.1109/OJAP.2021.3121102）
此外，來自伊朗卡拉甘雙子陵塔（Kharraqan twin towers）的磚砌幾何紋樣，也曾被研究人員轉化為雙穩態輔助（auxetic）超材料的設計原型。事實上，早在工程師開始系統研究之前，古代工匠就已經將某些具有優良力學性質的幾何排列應用於建築裝飾之中，讓今天的人們依然能夠從這些漫長實踐智慧的積澱中尋找靈感。
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4 月 21 日，愛丁堡大學（The University of Edinburgh）的研究人員在《應用物理學雜志》（Journal of Applied Physics）上發表了壹篇頗為新穎的論文，他們將漢字“人”“大”“天”“夫”的字形轉化為超材料的結構單元，並通過壓縮實驗探究其機械性能，最終發現，漢字中特有的弧線、橫撇和方形框架中，蘊藏著可以為工程材料設計所用的力學規律。
機械超材料的底層邏輯：當“幾何結構”決定物質命運
了解這項研究之前，我們有必要先知道“機械超材料”（Mechanical Metamaterials）這壹概念。“超材料”壹詞源自希臘語，意指“超越物質本身”，它描述的是壹類性能主要由其幾何排列結構決定、而非單純由化學組成決定的人工材料。
傳統材料的力學特性，如強度、剛度、韌性，很大程度上取決於其原子組成和化學鍵合方式。超材料的設計邏輯則截然不同：通過在微觀或介觀尺度上對結構單元進行精心的幾何設計並陣列化，工程師可以賦予材料自然界罕見的物理特性。例如，橫向拉伸時不收縮反而膨脹的負泊松比（Auxetic）效應、超輕卻擁有極高比強度的多孔結構等。
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在這項愛丁堡大學的最新研究之前，從人類文化遺產中提取結構靈感的嘗試已有先例。折紙藝術就是其中最廣為人知的例子。日本折紙的幾何折疊原理，尤其是“叁浦折疊”（Miura-ori），因其特殊的機械雙穩態效應，已被廣泛應用於可重構超材料的設計，出現在航天展開結構、柔性電子器件以及軟體機器人等場景中。
（來源：Journal of Applied Physics）
圖 | 叁浦折疊折痕圖案和折疊形式。（來源：DOI:10.1109/OJAP.2021.3121102）
此外，來自伊朗卡拉甘雙子陵塔（Kharraqan twin towers）的磚砌幾何紋樣，也曾被研究人員轉化為雙穩態輔助（auxetic）超材料的設計原型。事實上，早在工程師開始系統研究之前，古代工匠就已經將某些具有優良力學性質的幾何排列應用於建築裝飾之中，讓今天的人們依然能夠從這些漫長實踐智慧的積澱中尋找靈感。
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