令人惊叹的玻璃海绵！

说起海绵，我们脑海中浮现的多半是些软绵绵的东西。然而，有一些科学家却从一种生活在深海的海绵身上获得灵感，找到了如何建造出更坚固高耸的建筑、更蜿蜒绵长的桥梁、更轻巧便利的宇宙飞船的新思路。这种海绵有着非常诗意的名字——阿氏偕老同穴（Euplectella aspergillum）。

图片来源：Public Domain

阿氏偕老同穴也被称为“维纳斯花篮”，这种美丽的生物有着许多惊人的特性，比如它极其长寿——有的已经存活了数千年，是世界上最长寿的动物之一。有趣的是，在这种海绵的内部还经常包含着一对长期寄居的虾，一旦这些虾成长得足够大，就再也不会离开海绵了。因此在日本的文化中，这种海绵也被视为是永恒爱情的象征，人们常把它作为结婚礼物送给新人。

1841年，英国生物学家Richard Owen在菲律宾附近发现了这种海绵，立即被它们奇特的骨架所吸引。它们的骨架由玻璃细丝构成，其中的玻璃是由从海水中提取的酸所制成的。Owen曾这样描写这种物种，说它们就像是“精致的聚宝盆”，由“坚硬的、闪亮的、富有弹性的细丝编织而成”。

阿氏偕老同穴的骨骼结构，黄色标尺自左到右所显示的长度分别为4厘米、2厘米和2.5毫米。| 图片来源：Matheus C. Fernandes et al. / Nature Materials

在历经180年之后的今天，这种神奇的玻璃海绵仍然在为科学家带来惊喜。哈佛大学的一群醉心于这种玻璃海绵的复杂骨架的研究人员通过一系列实验和计算机模拟，发现这种复杂的骨架结构有着令人惊叹的强度，比常用于建筑和桥梁建设的传统格构式设计具有更高的强度-重量比，几乎是相似类型的结构中最强、最不易碎的一种。

去年9月，《自然·材料》杂志刊登了对这种结构的初步研究。

这项研究可追溯到20多年前，当时，哈佛大学的材料科学家和化学家Joanna Aizenberg注意到了这种玻璃海绵的特殊结构。后来她与合作者发现，这种骨架的结构与建筑用的横梁有很多共同点。

在建筑中，横梁一直被用来稳定桥梁和摩天大楼等的结构。自19世纪以来，工程师对横梁的首选设计一直是一种特定的网格结构，这种结构由正方形的网格组成，格子中间附加有双向的对角线以加强支撑力度。这种设计已经被使用了很长的一段时间，它能出色的完成工作，但存在一定程度的材料浪费现象，并限制了建筑物的高度，因为并非最佳设计。

阿氏偕老同穴的骨架也有着正方形的网格结构，只不过相比于在建筑中常采用的单根双向对角线相比，这种海绵中呈现的是成对的双向平行对角线，且每对对角线中间都相隔一定距离。那么，这种深海海绵的结构，能否给希望建造出更坚固、更轻便的结构的研究人员带来灵感呢？

在去年9月发表的这项研究中，研究人员基于这种海绵的骨架制造了一个网格结构，并模拟了它的牢固性。他们将其与另外三种标准的横梁网格结构在重量相同的情况下进行了比较。通过在模拟和实验中对这些网格结构施与压力，他们最终发现，根据玻璃海绵制造的成对出现的平行交叉对角线结构，能在不添加额外的材料的情况下，将整体结构的强度提高20%以上。

ABCD分别代表4种网格结构设计，其中A所代表的是受玻璃海绵启发所制备的结构。中间行所显示的是对这些结构施加的应变为0%的情况，最底部一行所显示的是对这些结构施加的应变为6%的情况。| 图片来源：Matheus C. Fernandes et al. / Nature Materials

与传统的横梁设计相比，增加了对角线的网格结构具有更多的节点，且节点之间的距离更小，这种特点或许能使它承受更大的压力。在进一步的模拟中，研究人员调试了对角线的数量、厚度，以及对角线之间的间距，他们试图找到能够承受最大应变的网格，而最终的模拟结果正是这种玻璃海绵。

对于阿氏偕老同穴这种生物来说，这是自然的力量用数百万年的进化过程反复试验而得出的最佳结果。然而，目前科学家还无法解答的是，它们为什么会进化出这种结构。

这些海绵通常生活在数千米深的水下，那里虽然有着非常强的水压，但这些压力来自四面八方，可以相互抵消，因此海绵并不会被这压力碾碎。不过，这些海绵的确需要一个坚固的结构来维持在水中的站立并过滤浮游生物。除此之外，它们强健的骨骼也可以阻止捕食者，或者防止可能与它们发生碰撞的动物对它们造成伤害……然而，这一切都不能解释它们的骨架为何要进化到如此高的强度。

尽管关于这种海绵的结构还有许多未解的谜题，但它带给我们的启发却是确实存在的。现在，研究人员在为他们根据这种海绵所涉及出的网格结构申请专利，准备将其应用在不增加重量的情况下，提高建筑结构的强度。未来，这种结构或许在许多领域，比如在航空航天、桥梁建造等，都能发挥重要作用。

受到这种玻璃海绵的启发，未来我们或许可以将这种结构应用与现实。这张艺术构想图的左边显示的是用玻璃材料制成的这种双对角线网格结构，右边显示的是用钢筋焊接而成的网格结构。| 图片来源：Peter Allen, Ryan Allen, and James C. Weaver/Harvard SEAS

超高的强度并不是这种海绵所能提供的全部。研究人员还在分析如何使这种结构更具有灵活性，他们很好奇这种结构会如何经受扭曲。更多对这种双对角线网格结构的不同方面的“深入探索”，正在进行中。

#创作团队：

文：二宗主

图：岳岳子

#参考来源：

https://www.quantamagazine.org/the-curious-strength-of-a-sea-sponges-glass-skeleton-20210111/

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0798-1

https://phys.org/news/2020-09-marine-sponges-skyscrapers-bridges.html