6月23日，记者从中国科学技术大学获悉，该校俞书宏院士团队联合吴恒安教授团队从河蚌中获得灵感，发现了河蚌“铰链”的耐疲劳“秘密”，这为未来新型柔性耐疲劳材料设计提供了新思路。该研究成果于北京时间6月23日凌晨发表在国际知名学术期刊《Science》上。

探明自然原理“为我所用”

江河湖泊中随处可见的河蚌，一生需要进行数十万次重复的开合运动，却能一直保持稳定状态不发生形变，其双壳连接背脊处发挥关键作用的“铰链”——贝脊给了中国科大科研人员灵感。

在此次研究中，研究人员探明了河蚌“铰链”中折扇形组织的设计原理，发现这种生物组织可以在河蚌双壳重复打开和关闭运动期间，能承受较大的变形，同时可以长期保持结构和功能的稳定。即使经过150万次循环，这种生物组织仍能稳定发挥作用并且没有表现出明显的疲劳行为。

不过，想将自然原理真正“为我所用”并不容易。记者获悉，早在2013年，这项研究就已经在俞书宏院士的指导下开始进行，至今已持续了10余年。

“人工材料难在制备，自然材料难在解析。”中国科大副研究员茅瓅波介绍，“想要把如此复杂的材料结构以及性能之间的联系说清楚，十分具有挑战性。”

研究过程中，团队遇到过不少困难。例如，十年前测试仪器很难实现对于材料精细结构表征的要求，直到近些年国家和学校在这方面的投入加大，给了研究团队更好的平台条件去达到想要实现的目标。其次，河蚌铰链的解析需要用到非常规的表征方式，这些都需要研究团队自己一步步去设计和搭建装置。

为了研究这种生物材料的组成、结构以及这二者与材料最终性能之间的关系，研究团队利用数学近似的方法对河蚌“铰链”在变形过程中的状态进行模拟。经过一次次失败的经验积累，最终成功揭示了河蚌“铰链”内的可变形生物矿化组织的耐疲劳机制，探明了河蚌铰链组织从宏观到微观精细结构的力学行为，并给出了贝壳铰链组织的多尺度结构与耐疲劳性能之间的清晰而令人信服的物理图像描述。

具有广阔的未来应用前景

大自然独特的设计原则，赋予了河蚌“铰链”组织高变形性、高耐疲劳性。此次研究已成功揭示了其中机制，将为今后柔性功能材料的组装设计提供了一种全新的仿生模型，为延长材料使用寿命提供了新的解决方案，对未来柔性耐疲劳材料的研制具有重要的指导意义。

随着近年来小型智能化的可穿戴电子设备的发展，产品柔性化已成趋势，可以说，“柔性”性能是未来产品开发的重要方向之一，像折叠屏、折叠手机已经逐渐融入我们的日常生活。不过，要想真正实现可靠的“柔性”性能，目前还存在亟需解决的问题。而这种从河蚌铰链可变形生物矿物中提取的耐疲劳结构设计策略对于需要使用脆性基元、但又不得不承受一定形变的柔性功能材料的创制具有普遍的指导意义。

俞书宏院士表示，仿生材料未来发展前景非常广阔，通过全新的设计理念，能创制出新的具有更优越性能的新材料，在航空航天、特种环境、防护等领域发挥出独特的功能和应用价值，这也是团队未来继续努力要做的重要方向。

合肥通客户端-合报全媒体记者 刘畅司晨

《合肥晚报》（2023-06-26）

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