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

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。

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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。