外國(guó)科學(xué)家從漢字中找到了設(shè)計(jì)超強(qiáng)材料的靈感！天字形材料最堅(jiān)固

折紙藝術(shù)曾啟發(fā)工程師設(shè)計(jì)出可折疊的航天結(jié)構(gòu)，伊斯蘭幾何圖案曾為材料學(xué)家提供抗振骨架的靈感。凡是人類文化中出現(xiàn)過的幾何形式，似乎都有可能成為新一代功能材料的結(jié)構(gòu)源泉。但你是否想過，中華文明書寫了數(shù)千年的文字，其形狀也會(huì)成為高性能材料的設(shè)計(jì)藍(lán)圖？

4 月 21 日，愛丁堡大學(xué)（The University of Edinburgh）的研究人員在《應(yīng)用物理學(xué)雜志》（Journal of Applied Physics）上發(fā)表了一篇頗為新穎的論文，他們將漢字“人”“大”“天”“夫”的字形轉(zhuǎn)化為超材料的結(jié)構(gòu)單元，并通過壓縮實(shí)驗(yàn)探究其機(jī)械性能，最終發(fā)現(xiàn)，漢字中特有的弧線、橫撇和方形框架中，蘊(yùn)藏著可以為工程材料設(shè)計(jì)所用的力學(xué)規(guī)律。

（來源：Journal of Applied Physics）

機(jī)械超材料的底層邏輯：當(dāng)“幾何結(jié)構(gòu)”決定物質(zhì)命運(yùn)

了解這項(xiàng)研究之前，我們有必要先知道“機(jī)械超材料”（Mechanical Metamaterials）這一概念。“超材料”一詞源自希臘語，意指“超越物質(zhì)本身”，它描述的是一類性能主要由其幾何排列結(jié)構(gòu)決定、而非單純由化學(xué)組成決定的人工材料。

傳統(tǒng)材料的力學(xué)特性，如強(qiáng)度、剛度、韌性，很大程度上取決于其原子組成和化學(xué)鍵合方式。超材料的設(shè)計(jì)邏輯則截然不同：通過在微觀或介觀尺度上對(duì)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行精心的幾何設(shè)計(jì)并陣列化，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(shí)不收縮反而膨脹的負(fù)泊松比（Auxetic）效應(yīng)、超輕卻擁有極高比強(qiáng)度的多孔結(jié)構(gòu)等。

這種“結(jié)構(gòu)即性能”的設(shè)計(jì)哲學(xué)，使得超材料的研究空間極為廣闊。研究者們的核心任務(wù)之一便是尋找并探索新的幾何形式，看看哪些形狀和結(jié)構(gòu)能帶來工程師所需要的特殊力學(xué)行為。

藏在文化圖騰里的力學(xué)密碼

在這項(xiàng)愛丁堡大學(xué)的最新研究之前，從人類文化遺產(chǎn)中提取結(jié)構(gòu)靈感的嘗試已有先例。折紙藝術(shù)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“三浦折疊”（Miura-ori），因其特殊的機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)，已被廣泛應(yīng)用于可重構(gòu)超材料的設(shè)計(jì)，出現(xiàn)在航天展開結(jié)構(gòu)、柔性電子器件以及軟體機(jī)器人等場(chǎng)景中。

圖 | 三浦折疊折痕圖案和折疊形式。（來源：DOI:10.1109/OJAP.2）

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(zhuǎn)化為雙穩(wěn)態(tài)輔助（auxetic）超材料的設(shè)計(jì)原型。事實(shí)上，早在工程師開始系統(tǒng)研究之前，古代工匠就已經(jīng)將某些具有優(yōu)良力學(xué)性質(zhì)的幾何排列應(yīng)用于建筑裝飾之中，讓今天的人們依然能夠從這些漫長(zhǎng)實(shí)踐智慧的積淀中尋找靈感。

為何選擇漢字？論文的通訊作者、愛丁堡大學(xué)工程學(xué)院的帕爾維茲·阿拉姆（Parvez Alam）副教授解釋道：“某些漢字具有強(qiáng)烈而獨(dú)特的幾何特征，從直覺上就‘感覺’到，它們有潛力展現(xiàn)出獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)和行為。”

從字形分析的角度來看，漢字具備幾個(gè)在超材料設(shè)計(jì)中頗具價(jià)值的結(jié)構(gòu)特質(zhì)。

圖 | 伊朗卡拉甘雙子陵塔的幾何紋樣（來源：維基百科）

首先是曲線與弧度。 許多漢字的筆畫含有彎曲成分，而曲線在力學(xué)結(jié)構(gòu)中往往意味著特殊的柔韌性和能量分散路徑。與直線筆畫相比，曲線筆畫會(huì)以不同方式響應(yīng)外力，影響材料的整體剛度與變形模式。

其次，大量漢字還包含水平方向的筆畫，這類結(jié)構(gòu)在工程上相當(dāng)于貫穿整體的“橫梁”，可以有效地將集中載荷分散至周圍結(jié)構(gòu)。

圖 | 帕爾維茲·阿拉姆（Parvez Alam）（來源：愛丁堡大學(xué)工程學(xué)）

初學(xué)漢字時(shí)，我們需要在田字格、米字格中反復(fù)練習(xí)，這正是因?yàn)闈h字是典型的方塊字，筆畫被約束在離散的方格內(nèi)，這意味著它們天然適合被轉(zhuǎn)化為周期性超材料的基礎(chǔ)網(wǎng)格單元。每個(gè)字都能整齊地填充一個(gè)方格，再通過重復(fù)排列，形成具有規(guī)則周期性的結(jié)構(gòu)陣列。

把漢字放進(jìn)壓縮機(jī)，“天”字結(jié)構(gòu)為何脫穎而出？

為了便于系統(tǒng)性對(duì)比，研究團(tuán)隊(duì)挑選了四個(gè)筆畫簡(jiǎn)單且在結(jié)構(gòu)上具有演進(jìn)關(guān)系的漢字：“人”“大”“天”“夫”。

其中，“人”字形如一個(gè)向下張開的倒置“V”形，兩筆撇捺從頂端向下方向外延展，構(gòu)成一個(gè)錐形發(fā)散結(jié)構(gòu)；“大”字在“人”字的基礎(chǔ)上增加一橫，將兩條發(fā)散的筆畫從中部橫向連接；“天”字則在“大”字的頂部再增加一橫，形成頂部也有橫向連接的三層結(jié)構(gòu)。最后的“夫”字與“天”字類似，但頂部橫畫稍短，且整體布局略有偏移，不與上方完全平齊。

研究團(tuán)隊(duì)通過增材制造（3D 打印）技術(shù)，將這些字形的對(duì)稱單元制作成陣列超材料，并通過施加重載壓縮，以經(jīng)典的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)作為參照，系統(tǒng)測(cè)試其力學(xué)性能。

結(jié)果顯示，這些“漢字材料”展現(xiàn)出了截然不同的壓縮與變形規(guī)律。其中，由“人”字構(gòu)成的超材料在受壓時(shí)最先發(fā)生變形。研究指出，構(gòu)件的曲率和傾斜角度是控制材料剛度與柔性的關(guān)鍵變量。

細(xì)而發(fā)散的構(gòu)件更容易發(fā)生彎曲主導(dǎo)的變形，賦予材料較高的柔韌性；而較粗或更加垂直取向的構(gòu)件則更能抵抗壓縮，傾向于拉伸主導(dǎo)變形，提供更高的初始剛度。因此，像“人”字這樣撇捺細(xì)長(zhǎng)、向外發(fā)散且?guī)в谢《鹊臉?gòu)件，在受力時(shí)往往會(huì)最先彎曲。

實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，含有水平筆畫的字形在壓縮時(shí)表現(xiàn)出更強(qiáng)的穩(wěn)定性。“大”字和“天”字中的橫起到了交叉橫梁的作用，使其在壓縮時(shí)表現(xiàn)出更強(qiáng)的荷載分散能力，力不僅沿豎向傳導(dǎo)，還通過橫畫被橫向分散至相鄰的結(jié)構(gòu)單元，從而增強(qiáng)材料的穩(wěn)定性，延緩了材料結(jié)構(gòu)的整體坍塌失效。

橫梁系統(tǒng)是提升結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的常用手段，而在漢字超材料中，橫畫數(shù)量的增加與材料抵抗失效能力的提升與經(jīng)典結(jié)構(gòu)工程原理高度吻合。

（來源：https://doi.org/10.1063/5.0304459）

這項(xiàng)研究中最重大的發(fā)現(xiàn)，是“天”字型超材料展現(xiàn)出了壓倒性的性能優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)顯示，“天”字結(jié)構(gòu)的模量和強(qiáng)度顯著高于其他漢字設(shè)計(jì)，也超越了傳統(tǒng)的六邊形對(duì)照組。它不僅擁有最高的比強(qiáng)度和比剛度，甚至達(dá)到了高性能金屬或剛性塑料泡沫的水平。

更深層的力學(xué)機(jī)制在于變形模式的轉(zhuǎn)變。論文指出，大多數(shù)漢字結(jié)構(gòu)在受力時(shí)表現(xiàn)出“彎曲主導(dǎo)”的強(qiáng)度特征，即結(jié)構(gòu)容易發(fā)生屈曲，較為柔韌。而“天”字結(jié)構(gòu)卻展現(xiàn)出了罕見的“拉伸/壓縮主導(dǎo)”強(qiáng)度。研究者推斷，這是因?yàn)椤疤臁弊痔赜械碾p層橫向支柱產(chǎn)生了相互作用，極大地抵抗了受載后的結(jié)構(gòu)側(cè)向位移。

此外，“夫”字與“天”字雖然相似，但由于頂部橫畫較短且有偏移，其力學(xué)表現(xiàn)就大相徑庭。這也證實(shí)，超材料的性能對(duì)對(duì)稱性等幾何細(xì)節(jié)極其敏感。只做微小的參數(shù)調(diào)整，就會(huì)顯著改變材料的變形模式與整體力學(xué)表現(xiàn)。

用工程學(xué)的視野重審人類文明結(jié)晶

這項(xiàng)研究從漢字超材料本身出發(fā)，揭示了一個(gè)極具啟發(fā)性的設(shè)計(jì)方法論：幾乎任何具有幾何規(guī)律性的人類文化符號(hào)，都可能成為有效的超材料結(jié)構(gòu)單元候選。

在數(shù)千個(gè)常用漢字中，“人、大、天、夫”只是滄海一粟。帕爾維茲強(qiáng)調(diào)，這只是“從眾多潛在字符中提取的一滴水”。未來，孟加拉語字母、阿拉伯書法、印度梵文等其他人類書寫符號(hào)，甚至各類裝飾藝術(shù)中的幾何圖形，都有可能成為力學(xué)超材料的靈感源泉。

文字符號(hào)不只是語言的載體，也是特定文化對(duì)幾何形式長(zhǎng)期審美與實(shí)踐選擇的結(jié)晶。它們?cè)诼L(zhǎng)的歷史演變中，經(jīng)受了書寫效率、視覺平衡的篩選，這些經(jīng)過漫長(zhǎng)時(shí)間檢驗(yàn)的形式，或許在某種意義上也經(jīng)歷了一種非顯式的"結(jié)構(gòu)優(yōu)化"。

從漢字實(shí)驗(yàn)中提煉出的規(guī)律，未來可直接應(yīng)用于航空航天（輕質(zhì)高強(qiáng)可編程材料）、生物醫(yī)學(xué)（可控柔性植入物）以及防撞能量吸收系統(tǒng)等前沿工程領(lǐng)域。

值得注意的是，這項(xiàng)研究目前選取的四個(gè)漢字字形簡(jiǎn)單且相互關(guān)聯(lián)，這在研究設(shè)計(jì)上便于變量控制與系統(tǒng)比較，但也意味著研究尚處于探索性階段。

但阿拉姆在接受采訪時(shí)特別強(qiáng)調(diào)了這項(xiàng)研究的跨學(xué)科意義。他表示，符號(hào)形式的運(yùn)用“不僅在工程設(shè)計(jì)中有其價(jià)值，還應(yīng)當(dāng)激發(fā)另一種類型的學(xué)習(xí)興趣”，并希望借此推動(dòng)工程學(xué)、材料科學(xué)與歷史學(xué)、文化研究之間更深入的交叉合作。

一篇從漢字中提煉力學(xué)規(guī)律的論文，出現(xiàn)在嚴(yán)肅的物理學(xué)期刊《應(yīng)用物理學(xué)雜志》上，本身就是一件頗具象征意味的事情。它提醒我們，科學(xué)與文化從來不是兩個(gè)相互隔絕的世界：前者追求普遍規(guī)律，后者積淀人類經(jīng)驗(yàn)。最具創(chuàng)造力的結(jié)構(gòu)靈感，或許正來自對(duì)人類已有知識(shí)體系的重新審視。

參考資料：

https://publishing.aip.org/publications/latest-content/what-can-chinese-characters-tell-us-about-designing-strong-materials/https://pubs.aip.org/aip/jap/article/139/15/155102/3387398/Mechanical-metamaterials-built-from-Chinese

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍