受自然啟發，這種多層合成材料有望使未來的汽車保險杠與防彈裝備具備更智能的吸能特性。

大自然用數百萬年雕琢出精妙的防護系統。龜甲、蟹殼、珍珠母貝內壁 —— 這些結構絕非徒有其表。它們通過分散應力、吸收沖擊、柔性形變等機制，守護著生物體的安全。如今，工程師們正借鑒這些智慧，研發新一代仿生智能材料。

一項由美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校土木與環境工程教授張勝利（Shelly Zhang）與丹麥技術大學Ole Sigmund教授領銜的研究，展示了如何通過仿珍珠母貝結構設計多層合成材料。這種材料不僅能承受沖擊，更能動態調整結構響應，各功能層協同作用以緩沖外力。相關成果有望推動汽車保險杠、可穿戴護具等防護裝備向更智能、更安全的方向革新。

超越仿生學的創新

直接復制天然防護結構的運作機制看似可行，但研究團隊選擇了一條更具挑戰性的路徑：不再局限于對自然結構的逆向工程，而是開發出一種能編程調控多層材料協同響應的新方法。

珍珠母貝（即鮑魚、牡蠣等軟體動物貝殼內壁的珠光層）因其卓越的力學性能成為關鍵靈感來源。這種由微米級薄層堆疊而成的天然復合材料，兼具高強度與高韌性，其出色的能量吸收能力長期令科學家著迷。

基于此，團隊設計出具有協調自適應能力的合成層狀結構。"我們提出了設計多層材料的思路，每層材料可展現不同的特性與行為模式，"張勝利解釋道。這種集體智能行為突破了傳統分層設計中各層孤立或靜態響應的局限，新結構中的各層能主動協作，動態調控應力傳遞路徑。

化"缺陷"為特性的屈曲工程

屈曲通常指材料在壓力下突然彎曲或塌陷（如易拉罐受壓變形），常被視為結構失效的標志。但在這項研究中，屈曲被轉化為可控的機械響應。根據沖擊強度不同，合成材料各層會分階段發生屈曲，這種漸進式響應能更高效地分散應力、吸收能量，表現優于傳統吸能材料。

"這項研究的起點，源于與Sigmund教授關于材料性能極限的討論，"張勝利回憶道，"即便采用編程設計，單一材料的極端性能仍存在物理上限。這促使我們思考：怎樣的工程設計才能實現現實所需的神奇材料行為？例如，通過可控屈曲幫助汽車保險杠實現能量耗散。"

微尺度編程開啟新維度

研究團隊不僅賦予每層材料特定屬性，更通過編程微尺度連接機制，創造出宛如智能整體的復合材料體系。"相較于現有非線性應力應變響應設計方法，我們的新框架具有多重優勢，"張勝利指出，"它在連續體結構中優化了類珍珠母貝多層結構及其互連方式，相比單層結構或晶格結構設計顯著拓展了設計空間。"

從實驗室到現實：破解失配密碼

當團隊構建物理原型時，材料表現與模型預測存在偏差。但研究人員將此轉化為創新契機。"這種失配是現實中的必然存在，"張勝利表示，"但我們可以利用這些信息，在裝配中定向編程每個單元結構的屈曲序列，存儲特定信息并后續解碼。捕捉這種偏差并從中提取改進工作的關鍵信息，這個過程充滿魅力。"

盡管大規模制造仍是待解難題，但張勝利認為核心理念已實現突破。"不同材料協同工作時，其產生的效應遠勝于各自單獨作用 —— 這個原理同樣適用于材料科學領域。"這項開創性研究發表于《科學進展》期刊，為智能防護材料的發展開辟了新航道。

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