科学家从汉字中找到了设计超强材料灵感

2026-04-22 | 来源: MIT科技评论 | 转到微信 | 有0人参与评论 | 字体: 放大缩小 | 收藏 | 打印

为何选择汉字？论文的通讯作者、爱丁堡大学工程学院的帕尔维兹·阿拉姆（Parvez Alam）副教授解释道：“某些汉字具有强烈而独特的几何特征，从直觉上就‘感觉’到，它们有潜力展现出独特的力学性质和行为。”

从字形分析的角度来看，汉字具备几个在超材料设计中颇具价值的结构特质。

图 | 伊朗卡拉甘双子陵塔的几何纹样（来源：维基百科）

首先是曲线与弧度。许多汉字的笔画含有弯曲成分，而曲线在力学结构中往往意味着特殊的柔韧性和能量分散路径。与直线笔画相比，曲线笔画会以不同方式响应外力，影响材料的整体刚度与变形模式。

其次，大量汉字还包含水平方向的笔画，这类结构在工程上相当于贯穿整体的“横梁”，可以有效地将集中载荷分散至周围结构。

初学汉字时，我们需要在田字格、米字格中反复练习，这正是因为汉字是典型的方块字，笔画被约束在离散的方格内，这意味着它们天然适合被转化为周期性超材料的基础网格单元。每个字都能整齐地填充一个方格，再通过重复排列，形成具有规则周期性的结构阵列。

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为了便于系统性对比，研究团队挑选了四个笔画简单且在结构上具有演进关系的汉字：“人”“大”“天”“夫”。

其中，“人”字形如一个向下张开的倒置“V”形，两笔撇捺从顶端向下方向外延展，构成一个锥形发散结构；“大”字在“人”字的基础上增加一横，将两条发散的笔画从中部横向连接；“天”字则在“大”字的顶部再增加一横，形成顶部也有横向连接的三层结构。最后的“夫”字与“天”字类似，但顶部横画稍短，且整体布局略有偏移，不与上方完全平齐。

研究团队通过增材制造（3D 打印）技术，将这些字形的对称单元制作成阵列超材料，并通过施加重载压缩，以经典的六边形蜂窝结构作为参照，系统测试其力学性能。

结果显示，这些“汉字材料”展现出了截然不同的压缩与变形规律。其中，由“人”字构成的超材料在受压时最先发生变形。研究指出，构件的曲率和倾斜角度是控制材料刚度与柔性的关键变量。

细而发散的构件更容易发生弯曲主导的变形，赋予材料较高的柔韧性；而较粗或更加垂直取向的构件则更能抵抗压缩，倾向于拉伸主导变形，提供更高的初始刚度。因此，像“人”字这样撇捺细长、向外发散且带有弧度的构件，在受力时往往会最先弯曲。

实验还发现，含有水平笔画的字形在压缩时表现出更强的稳定性。“大”字和“天”字中的横起到了交叉横梁的作用，使其在压缩时表现出更强的荷载分散能力，力不仅沿竖向传导，还通过横画被横向分散至相邻的结构单元，从而增强材料的稳定性，延缓了材料结构的整体坍塌失效。

横梁系统是提升结构整体稳定性的常用手段，而在汉字超材料中，横画数量的增加与材料抵抗失效能力的提升与经典结构工程原理高度吻合。