墨魚是一種獨特的海洋軟體動物，它能產生一種內部生物礦化的殼，稱為墨魚骨。它擁有超輕型的細胞結構（孔隙度約93 vol％），起到墨魚在海洋中的浮力調控作用。儘管墨魚骨主要由脆性礦物組成，但該結構具有很高的抗破壞性，並且能夠承受約20個大氣壓的水壓。儘管在生物學領域已經清楚了其功能要求，但尚未建立用於實現如此卓越的機械性能和極輕量的基礎材料設計策略。雖然已有研究開發出具有超高比剛度的材料，但這些材料的高比剛度是通過壓縮/拉伸為主的變形機制實現的，缺乏有效的防破壞機制。因此，了解墨魚骨如何同時滿足較高的比剛度和輕量化，可以為提高材料的損傷耐受性提供新的見解。研究人員已嘗試模仿墨魚骨的幾何形狀，但由於對其結構設計和變形機制的不完全了解，未能開發出可與其相比的硬陶瓷材料。
美國維吉尼亞理工大學Ling Li等人通過互補的三維（3D）結構和四維（4D）力學分析，以及參數化力學建模來建立墨魚骨的結構設計。結合基於原位同步加速器的微型計算機斷層掃描技術和機械測試，作者可視化和量化了墨魚骨的詳細破壞過程。3D結構化量化法進一步使得仿生模型能夠在不同尺度的機械性能和設計下進行研究。結果表明，墨魚骨已經進化出一種最佳的有腔「壁-隔片」微結構，該結構可實現高剛度以及抗破壞性。該研究以題為「Mechanical design of the highly porous cuttlebone: A bioceramic hard buoyancy tank for cuttlefish」的論文發表在《PNAS》上。
【仿生墨魚】
墨魚因其卓越的智力、極端的偽裝和獨特的視覺系統而引起了科學家和公眾的廣泛興趣。與大多數身體外部覆蓋有硬殼以進行保護的軟體動物不同，墨魚的「殼體」是在內部，而且其結構高度多孔（孔隙度約為93 vol％）。這使得墨魚可以通過調節殼內的氣液比來調節其浮力，類似於鸚鵡螺。與生活中用於遊泳的來調節浮力的遊泳袋不同，墨魚骨是由> 90％的文石構成的堅硬結構，文石是許多軟體動物貝殼中常見的礦物。研究證明，墨魚控制墨魚骨內流體的鹽離子濃度，從而控制流體的滲透壓，然後調節流體的充放電以調節浮力。儘管大多數墨魚生活在淺水區，但某些物種棲息在600 m的深處。這要求墨魚骨必須承受較高的外部水壓，以免發生災難性的破壞。因此墨魚骨必須實現既堅硬又能耐受損傷。
圖1 墨魚骨的結構
【研究內容】
該研究結合定量的三維（3D）結構特徵、四維（4D）力學分析、數字圖像相關性和參數模擬，揭示了墨魚骨具有特殊的腔室及其「壁–隔片」微觀結構。與其他自然或工程材料相比，墨魚骨加載時能同時具有高比剛度（8.4 MN·m / kg）和高能量吸收（4.4 kJ / kg）。研究證明，在有腔的墨魚骨微結構中的垂直壁已經演化出最佳的波紋度梯度，這導致了壓縮為主的變形和不對稱的壁破裂，從而實現了高剛度和高能量吸收。此外，發現壁的特殊分布能減少水平隔壁內的應力集中，促進了腔室的壓碎應力和更顯著的緻密化過程。該研究揭示的設計策略可以為開發低密度、堅硬和耐破壞的蜂窩結構陶瓷提供重要的經驗教訓。
圖2 基於同步加速器μ-CT的原位力學分析
圖3剛度、強度和抗破壞之間的平衡
【研究展望與意義】
蜂窩狀結構固體材料或泡沫由於其輕質且有一定的機械性能，而成為包裝、運輸和基礎設施的重要結構材料。當前的蜂窩狀結構材料主要由金屬或聚合材料製成，而陶瓷具有更高的比剛度和強度，並且在化學上更穩定，因此可能會更好地實現該目標。然而，限制陶瓷多孔固體材料作為結構件應用的是它們的脆性和缺陷敏感性。因此，克服多孔陶瓷的脆性，使其更輕巧，同時達到更高的剛度、強度和能量吸收率，是具有挑戰性的，但對許多應用而言卻至關重要。在這項研究中，作者闡明了墨魚骨是如何通過「壁-隔片」微結構來克服其固有的脆性，這可能會激發輕質陶瓷多孔材料的發展。
圖4 腔室的機械性能
總結：作者結合多種實驗技術，揭示了墨魚骨由於其不對稱的壁破裂、廣泛的緻密化和逐腔破壞，而獲得了高能量吸收和損傷耐受的特性。該研究的參數模擬進一步提供了有關壁波紋度、壁覆蓋及其統計變化如何協同增強機械性能的定量理論。作者的分析建立了墨魚骨的宏觀響應與其微觀結構之間的關係，並揭示了其同時針對輕質、高剛度和高能量吸收的特性優化。總之，作者重點介紹了關於墨魚骨研究中獲得的一些重要策略，這些策略有望用於設計工程多孔陶瓷和晶格超材料。