编注：蜘蛛、啄木鸟、蝎子、贝壳和海藻有什么共同点？他们都自然进化了有效衰减振动和控制声音的结构。
在这篇综述中，来自意大利和英国的科学家们重点介绍了不同生物系统中的一些共同特征和策略。研究团队还讨论了与仿生材料的相关性，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。
数百万年来，大自然造就了复杂的设计生态，通过进化实现了先进的特性和功能。许多有机体已经适应了它们的生活环境，产生了极为高效的材料和结构，表现出优化的机械、热、光学、声学特性，而目前的技术往往无法复制这些特性。这些特性通常是通过跨越宏观、中观、微观和纳米尺度的层次结构来实现的，在木材、骨头、蜘蛛丝和海绵等许多天然材料中都可以广泛观察到。迄今为止，受生物启发的方法已成功地确定准静态力学性能方面的优化结构，如强度、韧性、附着力，但就动态性能而言（如减振、隔音、扩声等），所做的工作相对较少。特别是，目前关于层级结构如何在自然结构优化中发挥作用的知识相对有限，尽管并行长度标度无疑允许处理多个频率范围。在此，研究团队概述了在动态力学性能结构优化领域所做的主要工作，重点介绍了不同生物系统中的一些共同特征和策略。本项研究还讨论了与仿生材料的相关性，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。
众所周知，诸如金属或纤维增强塑料等工程材料的特点是以牺牲韧性为代价的高刚度。特别是，这些材料不能通过减振有效地耗散能量。而橡胶和软聚合物等柔顺材料作为阻尼器性能良好，但缺乏刚度。在这种情况下，举几个例子，木材、骨头和贝壳等生物天然材料代表了既具有高刚度又具有高阻尼的复合材料的优秀示例，因此结合了通常相互排斥的特性。这种异常特性源于数百万年来的进化优化过程，朝着特定功能方向发展，适者生存的自然法则导致了生物结构和组织的不断改进。例如，蜘蛛丝、骨头、牙釉质、帽贝就是将高比强度和刚度与出色的韧性和抗裂性结合在一起的材料的例子。在这些例子中，层级结构通常被证明是多种尺寸尺度上的许多能量耗散和裂纹偏转机制的原因，同时也有助于形成非凡的韧性。鉴于这些众多的例子和相关的有趣特性，仿生学的丰富研究领域已经出现，其目的是从自然结构中汲取灵感，并在人工系统中实现这些结构，从而为许多技术领域带来进步。
然而，将材料结构与功能联系起来的生物力学和仿生学研究主要局限于准静态领域，而对这些材料的动态特性的研究则相对较少，尽管已经研究了冲击容限（例如，放屁虫的能量爆炸）或振动阻尼（例如啄木鸟头骨）的典型案例。事实上，第一次尝试分析啄木鸟的生物隔振机制要追溯到1959年，当时Sielmann通过解剖和观察发现，啄木鸟颅骨处的软骨具有缓冲和吸收振动的作用。
正如这些例子所证实的那样，可以合理假设，主要功能是振动和冲击阻尼、声滤波和聚焦、振动传递等的生物结构也已经通过进化得到优化，并且可以根据这些特性在自然界中寻找技术应用的灵感。基于这一假设，人们对生物系统优越的振动衰减特性越来越感兴趣，如今，仿生阻尼器等应用已开始用于保护精密设备和提高产品舒适度。受这一新兴研究领域的启发，研究团队在此概述了一些主要生物系统的动态特性，重点关注结构体系在实现卓越特性方面的作用。
图文快览
口足类趾杆的形态特征。（A）广义口足类的体态平面图和（B）青蟹前端的放大视图。箭头表示趾杆撞击面的位置。（C）趾杆外部形态的后向散射扫描电子显微照片和（D）通过完整标本前半部分的微计算机断层纵向切片，显示组成的趾（D）和前足（P）节段，显示它们在电子密度方面的差异（第二个胸廓附件及其末端手指俱乐部修改以红色突出显示）。（E） 趾杆的横截面分析说明了三个不同的结构域：（i）撞击区（蓝色），（ii）周期区[进一步细分为两个离散区：内侧（红色）和外侧（黄色）]，以及（iii）条纹区（绿色）。周期区域显示为橙色
啄木鸟头骨的振动衰减。（a）颅骨的体积分数比、局部测得的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。（c）舌骨在0-25N范围内承受预张力的头骨前十种模态。（d）上面板：撞击方向下大脑位置的应力波。下面板：FFT获得的频域应力谱
啄木鸟头骨振动衰减模型。（a）啄木鸟头部的集总单元模型。（b）用玻璃微球填充铝外壳建立海绵骨的经验模型。（c）不同直径二氧化硅微球的振动传递率与频率的函数关系
骨缝镶嵌的生物系统
棱皮龟壳的多尺度层级结构
菊石类中发现越来越复杂的分层缝合线
猎物感知蜘蛛和蝎子的相似之处。a）蛛网结构：典型的圆网蜘蛛。腹板通过蛛丝和表面之间的连接、b）径向蛛丝之间的连接，c）径向蛛丝和螺旋蛛丝之间的接合来构建。飞行的猎物最终可以被空气流量传感器检测到。如果猎物撞击蛛网，振动信号将主要通过放射线传输，并被蜘蛛的淋巴器官感知。f）利用表面波检测蝎子猎物的示意图；g）位于狭缝感器感觉表面波的感觉毛和机械感受器
海豚发声和觉察结构
蝙蝠声纳传感：由回声定位蝙蝠进化而来的高分辨率3D声学成像系统
蝙蝠声纳的蛾声伪装。组织结构。（a-c）双歧杆菌鳞片的SEM图像：（a）鳞片部分瓦解；（b）鳞片的穿孔顶板；（c）断裂鳞片的横截面显示两层之间的小梁间窦。（d-f）鳞片共焦显微镜：（d）用于进一步分析的单个鳞片。（放大20倍。）白色正方形表示（e）顶部薄层和（f）底部薄层的观察面积。（放大100倍）
鳞翅目鳞片的平铺图案和声学效应。（a）尾蝴蝶和金斑蝶，以及红背飞蛾和柞蚕的照片。圆形插图显示背部表面的SEM图像，方形插图显示每个翅翼样品横截面的微观CT。（b）刻度和等效强度吸收系数的存在导致目标强度的变化。（c）鳞片的存在导致目标强度的变化，以及等效吸收系数随翅翼厚度/波长的变化
蛾对蝙蝠捕食的防御。后仰的尾巴改变了蝙蝠对飞蛾的攻击方向。行为分析表明，（a）蝙蝠攻击蛾类后半部分的比例越来越大（用带星号的黄色圆柱体表示），（b）蝙蝠75%的时间攻击尾蛾的第一和第三部分，为多目标错觉提供了支持。扩大的回声错觉可能会导致蝙蝠瞄准蛾子腹部后面的后翅，即感知到的回声中心（以绿色突出显示）；然而，蝙蝠只有25%的时间瞄准这个区域
耳蜗结构。（a）人耳的外侧（米色）、中间（红色）和内侧（蓝色）部分。（b）耳蜗横截面显示前庭阶（SV）和鼓室阶（ST），由耳蜗隔板（CP）分隔，该隔板包含基底膜（BM）和感觉毛细胞。这些细胞在面板C中以绿色（内毛细胞）和红色（外毛细胞）表示，在子区D中也有更详细的报道。在面板E中，报告了耳蜗的3D表示，在面板F中报告了基底膜的张力特性示意图
灵感来自耳蜗的超材料。受耳蜗结构启发的一些例子为超材料的设计提供了灵感。特别是，在面板A、B、C中，再现了由38个不同高度的四分之一波长声学谐振腔制成的用于空气传播声音的梯度指数超材料。在面板D中，描述了基于一组亥姆霍兹谐振腔的彩虹捕捉器。在面板E中，报告了耳蜗螺旋模型的模态分析，显示了对不同频率激励的不同响应
大自然造就了复杂的设计生态，通过数百万年的进化，实现了先进的性能和功能。许多有机体通过进化生成高效的材料和结构来适应其生存环境，这些材料和结构具有优化的机械、热、光学和减振降噪特性，而目前的技术往往无法复制这些特性。这些特性通常是通过跨越宏观、中观、微观和纳米尺度的层级结构实现的，在许多天然材料中广泛观察到，如木材、骨头、蜘蛛丝和海绵。迄今为止，受生物启发的方法已成功地确定准静态力学性能方面的优化结构，如强度、韧性和附着力，但就动态性能而言（如减振、隔音、扩声），所做的工作相对较少。特别是，目前关于层级结构如何在自然结构优化中发挥作用的知识相对有限，尽管并行长度标度无疑允许解决多个频率范围。在这里，研究团队概述了为分析动态力学性能的结构优化所做的主要工作，强调了不同生物系统中的一些共同特征和策略。还讨论了与仿生材料的相关性，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。
原文来源：Matter Volume 5, Issue 10, 5 October 2022, Pages 3311-3340；Optimized structures for vibration attenuation and sound control in nature: A review；https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.07.023
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
