墨鱼是一种独特的海洋软体动物，它能产生一种内部生物矿化的壳，称为墨鱼骨。它拥有超轻型的细胞结构（孔隙度约93 vol％），起到墨鱼在海洋中的浮力调控作用。尽管墨鱼骨主要由脆性矿物组成，但该结构具有很高的抗破坏性，并且能够承受约20个大气压的水压。尽管在生物学领域已经清楚了其功能要求，但尚未建立用于实现如此卓越的机械性能和极轻量的基础材料设计策略。虽然已有研究开发出具有超高比刚度的材料，但这些材料的高比刚度是通过压缩/拉伸为主的变形机制实现的，缺乏有效的防破坏机制。因此，了解墨鱼骨如何同时满足较高的比刚度和轻量化，可以为提高材料的损伤耐受性提供新的见解。研究人员已尝试模仿墨鱼骨的几何形状，但由于对其结构设计和变形机制的不完全了解，未能开发出可与其相比的硬陶瓷材料。
美国弗吉尼亚理工大学Ling Li等人通过互补的三维（3D）结构和四维（4D）力学分析，以及参数化力学建模来建立墨鱼骨的结构设计。结合基于原位同步加速器的微型计算机断层扫描技术和机械测试，作者可视化和量化了墨鱼骨的详细破坏过程。3D结构化量化法进一步使得仿生模型能够在不同尺度的机械性能和设计下进行研究。结果表明，墨鱼骨已经进化出一种最佳的有腔“壁-隔片”微结构，该结构可实现高刚度以及抗破坏性。该研究以题为“Mechanical design of the highly porous cuttlebone: A bioceramic hard buoyancy tank for cuttlefish”的论文发表在《PNAS》上。
【仿生墨鱼】
墨鱼因其卓越的智力、极端的伪装和独特的视觉系统而引起了科学家和公众的广泛兴趣。与大多数身体外部覆盖有硬壳以进行保护的软体动物不同，墨鱼的“壳体”是在内部，而且其结构高度多孔（孔隙度约为93 vol％）。这使得墨鱼可以通过调节壳内的气液比来调节其浮力，类似于鹦鹉螺。与生活中用于游泳的来调节浮力的游泳袋不同，墨鱼骨是由> 90％的文石构成的坚硬结构，文石是许多软体动物贝壳中常见的矿物。研究证明，墨鱼控制墨鱼骨内流体的盐离子浓度，从而控制流体的渗透压，然后调节流体的充放电以调节浮力。尽管大多数墨鱼生活在浅水区，但某些物种栖息在600 m的深处。这要求墨鱼骨必须承受较高的外部水压，以免发生灾难性的破坏。因此墨鱼骨必须实现既坚硬又能耐受损伤。
图1 墨鱼骨的结构
【研究内容】
该研究结合定量的三维（3D）结构特征、四维（4D）力学分析、数字图像相关性和参数模拟，揭示了墨鱼骨具有特殊的腔室及其“壁–隔片”微观结构。与其他自然或工程材料相比，墨鱼骨加载时能同时具有高比刚度（8.4 MN·m / kg）和高能量吸收（4.4 kJ / kg）。研究证明，在有腔的墨鱼骨微结构中的垂直壁已经演化出最佳的波纹度梯度，这导致了压缩为主的变形和不对称的壁破裂，从而实现了高刚度和高能量吸收。此外，发现壁的特殊分布能减少水平隔壁内的应力集中，促进了腔室的压碎应力和更显着的致密化过程。该研究揭示的设计策略可以为开发低密度、坚硬和耐破坏的蜂窝结构陶瓷提供重要的经验教训。
图2 基于同步加速器μ-CT的原位力学分析
图3刚度、强度和抗破坏之间的平衡
【研究展望与意义】
蜂窝状结构固体材料或泡沫由于其轻质且有一定的机械性能，而成为包装、运输和基础设施的重要结构材料。当前的蜂窝状结构材料主要由金属或聚合材料制成，而陶瓷具有更高的比刚度和强度，并且在化学上更稳定，因此可能会更好地实现该目标。然而，限制陶瓷多孔固体材料作为结构件应用的是它们的脆性和缺陷敏感性。因此，克服多孔陶瓷的脆性，使其更轻巧，同时达到更高的刚度、强度和能量吸收率，是具有挑战性的，但对许多应用而言却至关重要。在这项研究中，作者阐明了墨鱼骨是如何通过“壁-隔片”微结构来克服其固有的脆性，这可能会激发轻质陶瓷多孔材料的发展。
图4 腔室的机械性能
总结：作者结合多种实验技术，揭示了墨鱼骨由于其不对称的壁破裂、广泛的致密化和逐腔破坏，而获得了高能量吸收和损伤耐受的特性。该研究的参数模拟进一步提供了有关壁波纹度、壁覆盖及其统计变化如何协同增强机械性能的定量理论。作者的分析建立了墨鱼骨的宏观响应与其微观结构之间的关系，并揭示了其同时针对轻质、高刚度和高能量吸收的特性优化。总之，作者重点介绍了关于墨鱼骨研究中获得的一些重要策略，这些策略有望用于设计工程多孔陶瓷和晶格超材料。