来源：降噪先锋
作者：高南沙
本次分享的研究题目是“自然界中用于振动衰减和声音控制的优化结构：综述”，文章作者为：F. Bosia，A. S. Gliozzi，M. Lott，S.F. Seyyedizadeh，M. Tortello（意大利都灵理工大学应用科学与技术系），V. Dal Poggetto，G. Greco，F. Ongaro，N. M. Pugno（意大利特伦托大学土木、环境和机械工程系仿生、仿生、纳米、超材料和力学实验室），M. Miniaci（法国国家科学研究中心），M. Onorato（意大利都灵大学物理系），通讯作者为：N. M. Pugno。
研究摘要：经过数百万年的进化，大自然设计了复杂的设计，以实现先进的性能和功能。许多生物已经适应了它们的生活环境，生产出了极为高效的材料和结构，表现出最佳的机械、热和光学性能，而目前的技术往往无法复制这些性能。这些特性通常通过使用跨越宏观、中观、微观和纳米尺度的分级结构来实现，在木材、骨骼、蜘蛛丝和海绵等许多天然材料中广泛观察到。迄今为止，仿生方法已成功地在准静态机械性能（如强度、韧性、附着力）方面识别优化结构，但就动态性能（如减振、隔音、扩声等）而言，所做的工作相对较少。特别是，目前关于分层结构如何在自然结构优化中发挥作用的知识相对有限，尽管并行长度尺度无疑允许处理多个频率范围。在此，研究回顾了在动态力学性能结构优化领域所做的主要工作，强调了不同生物系统中的一些共同特征和策略。研究还讨论了仿生材料的相关性，特别是在声子晶体和超材料领域，以及利用自然设计进行技术应用的潜力。
在自然界中，最著名的抗冲击结构可能是口足类动物。螳螂虾是一种甲壳类动物，有锤子状的棍子，可以以非常高的速度撞击猎物（主要是贝壳），达到高达10000g的加速度，甚至在水中产生气穴。为了在不失效的情况下承受重复冲击，爪需要极端的刚度、韧性和冲击阻尼，并且已经成为主要的生物系统之一，集中体现了冲击损伤耐受性的生物优化。
图1（a） 一个广义的口足类动物身体平面图和（b）一个“青蟹”O.Scyllarus前端的放大图。箭头表示手指球杆冲击面的位置。（c） 球杆外部形态的背散射扫描电子显微照片，以及（d）通过完整样本的前半部分的微计算机断层纵向截面，显示了它们在电子密度上的差异（第二个胸部附件及其末端手指棒修改以红色突出显示）。（e） 球杆的横截面分析说明了三个不同的结构域：（i）冲击区域（蓝色），（ii）周期区域[进一步细分为两个离散区域：内侧（红色）和外侧（黄色）]，以及（iii）条纹区域（绿色）。
高抗冲击系统的另一个众所周知的例子是啄木鸟的头骨和喙，它以约20 Hz的频率、高达7 m/s的速度反复撞击树木中的木表面，可以达到1200 g的加速度，同时避免脑损伤。这种结构已被广泛研究，以获得冲击衰减和减震应用以及仿生隔离器的灵感。将我们的观察局限于头部，忽略身体、羽毛和脚（也可能发挥作用），啄木鸟从不同空间尺度的机械和结构角度来看，是一个非常复杂和丰富的系统：宏观、微观和纳米尺度。大多数研究人员得出结论，头骨的形状、其微观结构和化学成分都与啄木鸟的特殊冲击衰减特性有关。特别是，骨孔隙率和机械性能的分级对于阻尼高频振动特别重要，这可能特别有害。研究小组利用有限元分析研究了啄木鸟的力学行为。通常，模型基于通过X射线计算机断层扫描（CT）获得的图像。研究了由啄击引起的冲击引起的应力分布。在其中一些研究中，还将结果与体内实验进行了比较，其中啄啄力是通过使用力传感器测量的，并与其他鸟类的啄啄力进行了比较。
图2（a） ：颅骨体积分数比、局部测量模量和颅骨周围的宏观等效模量。（b） ：颅骨和舌骨的三维有限元模型。请注意，颅骨上的杨氏模量并不均匀。（c） ：在舌骨上施加0-25 N（d）范围内的预张力时颅骨的前十种模式，上图：撞击方向下大脑位置的应力波。（d） 下面板：通过FFT获得的频域应力谱.
Zhu等人测量了颅骨的杨氏模量，发现了空间的周期性变化，如图2a所示。此外，他们基于CT扫描图像，通过使用有限元模型（图2b）对颅骨进行模态分析，并确定前十个固有频率，如图2c所示。最大幅频分量出现在100Hz和8kHz，它们与工作频率（约20Hz）和自然频率（如模拟得出的）很好地分离，从而确保大脑免受伤害。
从微观到宏观长度尺度，具有不同几何形状的缝合接头在生物学中常见（图3）。例如，海龟的甲壳、啄木鸟的喙、箱鱼的盔甲、头盖骨、马齿苋和米利亚克的种皮、硅藻埃勒贝基亚阿雷纳和菊石化石壳等。
在上述系统中，缝线-关节结构允许高水平的灵活性，是实现呼吸、生长、运动和捕食保护等生物重要功能的关键因素，其中不同的交叉指状部分（即牙齿）通过薄的柔顺接缝（即界面层）连接在一起。此外，从机械角度来看，已经通过计算和/或实验证明，这种特殊的结构能够在刚度、强度、韧性、能量耗散和更有效地承受和传递荷载之间实现良好的平衡。一些现有研究证实了这一点。其中，在颅骨缝合的情况下，不同哺乳动物物种之间的交叉指状物水平增加，导致缝合线的弯曲强度和能量储存增加。棱皮海龟（图4）就是一个典型的例子，它是一种独特的海龟，能够潜入1200米的深度。这是由于海龟甲壳的特殊设计，由骨板组成，骨板与胶原纤维以缝线状排列相互连接，被柔软、可拉伸的皮肤覆盖。这两种元素的结合在高静水压力下提供了显著的灵活性，以及在硬度、强度和韧性方面的优异机械功能，胶原界面是一种有效的止裂剂。此外，有研究解释了菊石缝合线的高弯曲度和复杂性（图5）如何是对静水压力的进化响应的结果，而且还解释了应力、位移和变形随着复杂性水平的显著降低。
贝壳是刚性生物结构，被认为是机械保护的理想设计，现在被视为仿生学的灵感来源。贝壳本质上是一层坚硬的陶瓷层，覆盖着软体动物的脆弱组织。许多腹足类和双壳类贝壳有两层：方解石外层和虹彩珍珠层内层。方解石是一种棱柱状陶瓷材料，由强而脆的碳酸钙组成。另一方面，珍珠层是一种坚韧柔韧的物质，在坍塌之前会发生显著变形。普遍认为，将表面上的硬层与内部更硬、更韧性的层结合起来的保护结构优化了冲击阻尼性能。当贝壳暴露于集中应力时，坚硬的陶瓷覆盖层抵抗穿透，而内层吸收机械变形能。超载会导致脆性方解石层破裂，导致裂纹扩展到软体动物的软组织中。实验表明，厚厚的珍珠层可以减缓并最终阻止这种破裂。采用多尺度建模和优化是一种在宏观尺度上分析壳体几何结构的方法，同时考虑到珍珠层的微观力学。根据壳体的几何形状，可能出现不同的失效模式。另一方面，根据优化程序，当不同层中的两种失效模式一致时，壳体在避免急剧穿透方面表现最佳。此外，由标准陶瓷材料制成的贝壳在用锋利的压头加载时可承受高达1900 N的载荷，鉴于其尺寸和结构，这是一个令人印象深刻的载荷水平。
与传统工程材料相比，骨的小梁结构具有无与伦比的抗拉强度、各向异性、自愈合性和轻盈性。这正是当前大多数机械和土木工程应用所需要的。到目前为止，松质骨的生物灵感已被用来提高静态性能、强度和韧性，但在动力学方面做得很少，只有少数超声研究专注于骨结构的无损评估。3D框架结构也是如此，其中大部分工作涉及静态特性，最近只有少数研究涉及波传播。框架结构提供了一种方便的方法，使用桁架式结构来近似小梁，其灵感来自于著名的Bravais晶格。这种网格的实现为骨骼结构的简化模型铺平了道路，在该模型中，关节可以折叠成连接点，自由度可以大幅减少。
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