仿生晶格設計：建築與安全的新革命

受到深海海綿的啟發，澳洲皇家墨爾本理工大學（RMIT）的工程師們開發出一種具有卓越抗壓強度和剛度的新材料，這項創新有望為建築設計和產品開發帶來突破性進展。這種雙晶格設計的靈感來自於一種名為「維納斯花籃」的深海海綿，這種海綿棲息於太平洋深處，其精細的骨骼結構為研究團隊提供了關鍵啟發。

該研究的主要作者馬家明博士表示，經過大量的測試與最佳化，這種設計展現出驚人的剛度與強度組合，同時還具備壓縮時收縮的能力。這種被稱為「拉脹行為」的特性，為結構工程和其他應用領域開闢了全新的可能性。「大多數材料在拉伸時會變薄，或在擠壓時變厚，就像橡膠一樣，但拉脹材料卻恰恰相反，」馬博士解釋道，「拉脹材料能有效吸收和分散衝擊能量，這使它們具有極高的實用價值。」

自然界中，肌腱和貓的皮膚都是拉脹材料的例子，而人工合成的拉脹材料則被用於製造心臟和血管支架，這些支架能夠根據需求擴張和收縮。然而，儘管拉脹材料具有許多優點，但其低剛度和有限的能量吸收能力限制了它們的應用範圍。研究團隊的仿生雙晶格設計之所以重要，正是因為它克服了這些主要缺點。「單一晶格具有傳統的變形行為，但當你像深海海綿那樣將它們結合時，它們會自我調節並保持形狀，效能遠超同類材料，」馬博士補充道。

研究結果發表在《複合材料結構》期刊上，資料顯示，在相同材料使用量的情況下，這種晶格結構的剛度比現有的拉脹材料高出13倍，後者通常基於重入式蜂窩設計。此外，與現有設計相比，這種新材料在保持拉脹行為的同時，能量吸收能力提高了10%，應變範圍也擴大了60%。

阮成山博士指出，這種獨特的效能組合為新材料的應用提供了多種令人興奮的可能性。「這種仿生拉脹晶格為我們開發下一代永續建築提供了最堅實的基礎，」他表示，「我們的高剛度和高能量吸收拉脹超材料，將在建築材料、防護裝備、運動器材以及醫療應用等多個領域帶來顯著優勢。」

例如，這種仿生晶格結構可以作為鋼結構建築的框架，從而減少鋼材和混凝土的使用量，同時達到與傳統框架相同的效果。此外，它還可以用於製造輕量化的運動防護裝備、防彈背心或醫療植入物。榮譽教授Mike Xie強調，這項計畫彰顯了從大自然中汲取靈感的價值。「仿生學不僅創造出像這樣美麗而優雅的設計，還創造出經過數百萬年進化最佳化的智慧設計，我們可以從中學習，」Xie教授說道。

研究團隊在RMIT創新結構與材料中心，透過電腦模擬和3D列印的熱塑性聚氨酯樣品進行了測試。他們計劃進一步生產鋼材版本的設計，並將其應用於混凝土和夯土結構中，這是一種使用壓實天然原材料的建築技術。「雖然這種設計在運動器材、個人防護裝備和醫療應用中具有潛力，但我們的主要關注點是建築領域，」馬博士表示，「我們希望透過這種設計的獨特組合——卓越的拉脹性、剛度和能量吸收能力，來開發更永續的建築材料，從而減少建築中鋼材和水泥的使用量。此外，它的拉脹和能量吸收特性也有助於在地震中減緩振動。」

研究團隊還計劃將這種設計與機器學習演演算法結合，以進一步最佳化並創造可程式設計材料，為未來建築與安全領域帶來更多創新可能性。