与结构更严谨的设计（顶部）相比，无序性更强的设计（底部）更不容易破裂，红点的分散性就是明证。图片来源：Sage Fulco
切开骨头，你会看到一个微妙的无序结构。微小的梁被称为小梁，以不规则的图案相互连接，分散压力，使骨头具有令人印象深刻的韧性。如果人造材料也能表现出类似的特性会怎样？
在PNAS Nexus的一篇新论文中，宾夕法尼亚大学工程学院、宾夕法尼亚大学艺术与科学学院和奥胡斯大学的研究人员发现，在某些材料的结构中添加适量的无序性，可以使它们的抗开裂能力提高一倍以上。
这一发现为所谓“机械超材料”的更广泛应用打开了大门。“机械超材料”是一类材料，其内部结构通常通过 3D 打印和激光切割等数字制造技术生产，赋予其独特性能，包括增强的强度或单位重量的刚度。
到目前为止，机械超材料面临的最大挑战之一是其易碎性。宾夕法尼亚大学工程学院机械工程与应用力学 (MEAM) 系主任、教授 Kevin Turner 表示：“韧性是 3D 打印机械超材料的限制因素，但并非所有 3D 打印机械超材料都是如此。”他是该论文的资深作者。
这项新成果有望解决这个问题，而且成本相对较低。“完全不改变材料，只需改变内部几何形状，”特纳说，“就能将韧性提高 2.6 倍。”
这种最佳无序设计可将应力分散至整个底层结构，从而防止开裂并提高韧性。图片来源：Sage Fulco
灵感源自大自然天然材料通常在小尺度上表现出无序性。除了人类骨骼，研究人员还指出，珍珠层（贝壳内部的彩虹色物质）和贻贝用于附着在表面的丝状物也是如此。这些材料不是规则的重复结构，而是在其结构成分之间的空间中存在微小的、看似随机的变化。
几十年来，工程师们一直从大自然中汲取灵感，但通常是通过复制易于制造的结构，如蜂窝状图案，这可以减轻材料的重量，同时保持其强度。蜂窝结构可以在一些纸板包装和飞机机翼内的金属加固物中找到。“这是一种非常有规律的图案，”特纳指出。
相比之下，论文中测试的超材料表现出从规则到高度无序的各种图案。“表现最好的样品，裂缝最难生长，并不是由规则的重复图案组成的，”MEAM 博士后研究员、论文的主要作者 Sage Fulco 说。“它们在不同区域具有不同的几何形状。”
测试混乱的极限为了测试无序是否会使机械超材料更坚固，研究人员对许多不同的图案进行了数千次计算力学模拟，所有图案均基于三角形晶格（称为桁架）。在一些图案中，三角形排列成完美的对称形状，而在另一些图案中，图案因移动三角形相交处的节点而受到干扰。
三种具有不同无序程度的代表性设计。中间的设计平衡了有序性和无序性，以实现最大的韧性。图片来源：Sage Fulco
研究团队对这些图案进行了多轮计算机模拟，并创建了一组代表性几何图形的物理版本，其中包括有序几何图形和具有不同无序程度的几何图形。
当他们试图在实验室和模拟中破坏这些材料时，出现了一个明显的趋势。“存在特定程度的无序性，因此我们在材料上切割出的图案看起来有些规则，但并不完全对称，这样我们就能实现最高水平的性能，”Fulco 说。
取得适当平衡完美的无序程度——既不太少也不太多——保留了材料的大部分强度和刚度，同时提高了其韧性，但设计起来比重复结构要费力得多。“无序系统在工程中并不常用，因为设计要复杂得多，”特纳指出。
富尔科与奥胡斯大学机械与生产工程副教授迈克尔·布迪克 (Michael Budzik) 合作，对制造工艺进行了微调，并前往丹麦，使用布迪克实验室中极其精确的激光切割机雕刻图案。
“为了利用他们的制造设备，我不得不彻底重建我们的实验装置，”富尔科说。“但这确实让实验取得了成功。”
Fulco（右）和 Turner（左）展示了他们如何利用光来评估机械应力对超材料的影响。图片来源：Bella Ciervo
可视化无序程度为了了解无序结构如何提高韧性，该团队与宾夕法尼亚大学艺术与科学学院物理学和天文学教授玛丽·阿曼达·伍德 (Mary Amanda Wood) 道格拉斯·杜里安 (Douglas Durian) 以及当时在杜里安实验室担任博士后研究员的肖红毅 (Hongyi Xiao) 合作进行了一项实验。（这四位研究人员都是宾夕法尼亚大学材料研究科学与工程中心 (MRSEC) 的研究人员）。
当某些材料（包括 Fulco 切割图案的聚合物）被拉伸时，它们的双折射（一种使光分裂成两条不同路径的性质）会发生变化。通过正确的设置观察，材料的外观会随着不同程度的机械应力而发生变化。
通过对具有不同图案的样品（一些具有规则图案，另一些具有不同程度的无序性）进行图像拍摄，同时对它们施加负载直至失效，研究人员能够准确地看到裂纹在材料中扩展时发生的情况。
简而言之，无序性阻止了裂缝沿直线传播。“裂缝要穿过无序材料，损坏必须发生在更大的区域，”Fulco 说。在团队拍摄的图像中，对称样本中的断裂事件看起来更接近直线，但在最佳无序性样本中则分散开来。
超越实验室展望未来，研究人员希望他们的发现将鼓励人们更广泛地探索机械超材料和机械设计中的无序模式。“我们使用了三角形，但这项工作非常基础，”Fulco 说。“其他团队可以将其应用于许多不同的几何形状。”
受自然启发的设计的成功也表明，工程师们可以从天然材料的设计中学到更多东西。“将不同类型的材料组合在一起，并在不同的尺度上添加不同的几何形状，是非常令人兴奋的机会，”富尔科说。“这就是我们在观察性能最高的天然材料时所看到的。”
最终，该团队设想这些进步将推动材料和结构的改进，应用于航空航天等行业，在这些行业中，抵抗裂纹扩展和耐受损坏至关重要。“我们通过确定增加韧性的几何途径，使机械超材料在结构应用中得到更广泛的应用，”特纳说。
更多信息： Sage Fulco 等人，无序增强了二维机械超材料的断裂韧性，PNAS Nexus (2025)。
DOI ：10.1093/pnasnexus/pgaf023
