科學家從漢字中找到了設計超強材料靈感

2026-04-22 | 來源: MIT科技評論 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

折紙藝術曾啟發工程師設計出可折疊的航天結構，伊斯蘭幾何圖案曾為材料學家提供抗振骨架的靈感。凡是人類文化中出現過的幾何形式，似乎都有可能成為新一代功能材料的結構源泉。但你是否想過，中華文明書寫了數千年的文字，其形狀也會成為高性能材料的設計藍圖？

4 月 21 日，愛丁堡大學（The University of Edinburgh）的研究人員在《應用物理學雜志》（Journal of Applied Physics）上發表了一篇頗為新穎的論文，他們將漢字“人”“大”“天”“夫”的字形轉化為超材料的結構單元，並通過壓縮實驗探究其機械性能，最終發現，漢字中特有的弧線、橫撇和方形框架中，蘊藏著可以為工程材料設計所用的力學規律。

機械超材料的底層邏輯：當“幾何結構”決定物質命運

了解這項研究之前，我們有必要先知道“機械超材料”（Mechanical Metamaterials）這一概念。“超材料”一詞源自希臘語，意指“超越物質本身”，它描述的是一類性能主要由其幾何排列結構決定、而非單純由化學組成決定的人工材料。

傳統材料的力學特性，如強度、剛度、韌性，很大程度上取決於其原子組成和化學鍵合方式。超材料的設計邏輯則截然不同：通過在微觀或介觀尺度上對結構單元進行精心的幾何設計並陣列化，工程師可以賦予材料自然界罕見的物理特性。例如，橫向拉伸時不收縮反而膨脹的負泊松比（Auxetic）效應、超輕卻擁有極高比強度的多孔結構等。

這種“結構即性能”的設計哲學，使得超材料的研究空間極為廣闊。研究者們的核心任務之一便是尋找並探索新的幾何形式，看看哪些形狀和結構能帶來工程師所需要的特殊力學行為。

藏在文化圖騰裡的力學密碼

在這項愛丁堡大學的最新研究之前，從人類文化遺產中提取結構靈感的嘗試已有先例。折紙藝術就是其中最廣為人知的例子。日本折紙的幾何折疊原理，尤其是“三浦折疊”（Miura-ori），因其特殊的機械雙穩態效應，已被廣泛應用於可重構超材料的設計，出現在航天展開結構、柔性電子器件以及軟體機器人等場景中。

（來源：Journal of Applied Physics）

圖 | 三浦折疊折痕圖案和折疊形式。（來源：DOI:10.1109/OJAP.2021.3121102）

此外，來自伊朗卡拉甘雙子陵塔（Kharraqan twin towers）的磚砌幾何紋樣，也曾被研究人員轉化為雙穩態輔助（auxetic）超材料的設計原型。事實上，早在工程師開始系統研究之前，古代工匠就已經將某些具有優良力學性質的幾何排列應用於建築裝飾之中，讓今天的人們依然能夠從這些漫長實踐智慧的積澱中尋找靈感。

為何選擇漢字？論文的通訊作者、愛丁堡大學工程學院的帕爾維茲·阿拉姆（Parvez Alam）副教授解釋道：“某些漢字具有強烈而獨特的幾何特征，從直覺上就‘感覺’到，它們有潛力展現出獨特的力學性質和行為。”

從字形分析的角度來看，漢字具備幾個在超材料設計中頗具價值的結構特質。

圖 | 伊朗卡拉甘雙子陵塔的幾何紋樣（來源：維基百科）

首先是曲線與弧度。許多漢字的筆畫含有彎曲成分，而曲線在力學結構中往往意味著特殊的柔韌性和能量分散路徑。與直線筆畫相比，曲線筆畫會以不同方式響應外力，影響材料的整體剛度與變形模式。

其次，大量漢字還包含水平方向的筆畫，這類結構在工程上相當於貫穿整體的“橫梁”，可以有效地將集中載荷分散至周圍結構。

初學漢字時，我們需要在田字格、米字格中反復練習，這正是因為漢字是典型的方塊字，筆畫被約束在離散的方格內，這意味著它們天然適合被轉化為周期性超材料的基礎網格單元。每個字都能整齊地填充一個方格，再通過重復排列，形成具有規則周期性的結構陣列。

把漢字放進壓縮機，“天”字結構為何脫穎而出？

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為了便於系統性對比，研究團隊挑選了四個筆畫簡單且在結構上具有演進關系的漢字：“人”“大”“天”“夫”。

其中，“人”字形如一個向下張開的倒置“V”形，兩筆撇捺從頂端向下方向外延展，構成一個錐形發散結構；“大”字在“人”字的基礎上增加一橫，將兩條發散的筆畫從中部橫向連接；“天”字則在“大”字的頂部再增加一橫，形成頂部也有橫向連接的三層結構。最後的“夫”字與“天”字類似，但頂部橫畫稍短，且整體布局略有偏移，不與上方完全平齊。

研究團隊通過增材制造（3D 打印）技術，將這些字形的對稱單元制作成陣列超材料，並通過施加重載壓縮，以經典的六邊形蜂窩結構作為參照，系統測試其力學性能。

結果顯示，這些“漢字材料”展現出了截然不同的壓縮與變形規律。其中，由“人”字構成的超材料在受壓時最先發生變形。研究指出，構件的曲率和傾斜角度是控制材料剛度與柔性的關鍵變量。

細而發散的構件更容易發生彎曲主導的變形，賦予材料較高的柔韌性；而較粗或更加垂直取向的構件則更能抵抗壓縮，傾向於拉伸主導變形，提供更高的初始剛度。因此，像“人”字這樣撇捺細長、向外發散且帶有弧度的構件，在受力時往往會最先彎曲。

實驗還發現，含有水平筆畫的字形在壓縮時表現出更強的穩定性。“大”字和“天”字中的橫起到了交叉橫梁的作用，使其在壓縮時表現出更強的荷載分散能力，力不僅沿豎向傳導，還通過橫畫被橫向分散至相鄰的結構單元，從而增強材料的穩定性，延緩了材料結構的整體坍塌失效。

橫梁系統是提升結構整體穩定性的常用手段，而在漢字超材料中，橫畫數量的增加與材料抵抗失效能力的提升與經典結構工程原理高度吻合。

圖 | 漢字超材料陣列與蜂窩陣列的壓縮破壞對比（來源：https://doi.org/10.1063/5.0304459）

這項研究中最重大的發現，是“天”字型超材料展現出了壓倒性的性能優勢。數據顯示，“天”字結構的模量和強度顯著高於其他漢字設計，也超越了傳統的六邊形對照組。它不僅擁有最高的比強度和比剛度，甚至達到了高性能金屬或剛性塑料泡沫的水平。

更深層的力學機制在於變形模式的轉變。論文指出，大多數漢字結構在受力時表現出“彎曲主導”的強度特征，即結構容易發生屈曲，較為柔韌。而“天”字結構卻展現出了罕見的“拉伸/壓縮主導”強度。研究者推斷，這是因為“天”字特有的雙層橫向支柱產生了相互作用，極大地抵抗了受載後的結構側向位移。

此外，“夫”字與“天”字雖然相似，但由於頂部橫畫較短且有偏移，其力學表現就大相徑庭。這也證實，超材料的性能對對稱性等幾何細節極其敏感。只做微小的參數調整，就會顯著改變材料的變形模式與整體力學表現。

用工程學的視野重審人類文明結晶

這項研究從漢字超材料本身出發，揭示了一個極具啟發性的設計方法論：幾乎任何具有幾何規律性的人類文化符號，都可能成為有效的超材料結構單元候選。

在數千個常用漢字中，“人、大、天、夫”只是滄海一粟。帕爾維茲強調，這只是“從眾多潛在字符中提取的一滴水”。未來，孟加拉語字母、阿拉伯書法、印度梵文等其他人類書寫符號，甚至各類裝飾藝術中的幾何圖形，都有可能成為力學超材料的靈感源泉。

文字符號不只是語言的載體，也是特定文化對幾何形式長期審美與實踐選擇的結晶。它們在漫長的歷史演變中，經受了書寫效率、視覺平衡的篩選，這些經過漫長時間檢驗的形式，或許在某種意義上也經歷了一種非顯式的"結構優化"。

從漢字實驗中提煉出的規律，未來可直接應用於航空航天（輕質高強可編程材料）、生物醫學（可控柔性植入物）以及防撞能量吸收系統等前沿工程領域。

值得注意的是，這項研究目前選取的四個漢字字形簡單且相互關聯，這在研究設計上便於變量控制與系統比較，但也意味著研究尚處於探索性階段。

但阿拉姆在接受采訪時特別強調了這項研究的跨學科意義。他表示，符號形式的運用“不僅在工程設計中有其價值，還應當激發另一種類型的學習興趣”，並希望借此推動工程學、材料科學與歷史學、文化研究之間更深入的交叉合作。

一篇從漢字中提煉力學規律的論文，出現在嚴肅的物理學期刊《應用物理學雜志》上，本身就是一件頗具象征意味的事情。它提醒我們，科學與文化從來不是兩個相互隔絕的世界：前者追求普遍規律，後者積澱人類經驗。最具創造力的結構靈感，或許正來自對人類已有知識體系的重新審視。