海绵原料是什么(藏在海绵里的力学知识)

Posted 2023-06-01

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海绵原料是什么(藏在海绵里的力学知识)

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抛开错综复杂的由玻璃纤维编织成的外部结构，“维纳斯的花篮”海绵出名的原因在于经常存在于其内部的现象：一对正在繁殖的虾被困在海绵熔岩灯状的身体里，并在此继续共生。因为这一浪漫的生物学现象，日本人会把这种深海海绵当作结婚礼物来赠送。这同样也让工程师充满好奇：水是如何穿过海绵，让体内的“俘虏”维持生存的？

研究团队推测，海绵身体上的脊和孔洞结构的分布引人注目，它们或许改变了流入和流经身体的水流。但想要通过一个水下实验明确每个结构特性的作用，在逻辑上是不可行的。于是，研究团队另辟蹊径，在意大利的一台超级计算机上进行了一系列模拟，这些模型历经了超过10年的开发过程。位于罗马的意大利技术研究院（Istituto Italiano di Tecnologia）的高级研究主管绍罗·苏奇（Sauro Succi，这项研究的共同作者之一）表示：“这代表了目前模拟的最高水平，而且基本无法通过实验完成。”相关研究发表在《自然》杂志上。

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研究人员根据真实海绵的测量数据构建了一个虚拟的三维模型。他们模拟了数十亿个粒子，分别在有脊和孔洞结构，以及没有这两种结构存在的情况下穿过模型的情形。他们发现，海绵的多孔晶格状结构减小了水流的阻力，而脊的结构缓和了水流的冲力，并在海绵内部产生了微小的涡旋。涡旋的存在让海绵的卵子和精子更容易混合，同时也让海绵自己和困在海绵中的虾能以更高的效率摄食。

意大利罗马第二大学的贾科莫·法尔库奇（Giacomo Falcucci，这项研究的第一作者）表示，团队人员都对这种结构带来的既耐久又可以促进繁殖的“双重收益”感到惊讶，因为有利于繁殖的演化性适应特征往往会给生物体的其他方面带来弊端，比如孔雀迷人却沉重的尾巴。

美国亚利桑那州立大学的数学家和生物医学工程师劳拉·米勒（Laura Miller）表示：“能看到有研究表明这种复杂的形态确实会给流体力学带来有趣的启示，简直是太酷了。”米勒并未参与此研究，但她在《自然》杂志上发表了一篇关于这项研究的评论文章。

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在未来的研究中，这种模拟方法可以用于研究流体力学特性尚未被仔细研究过的其他生物。米勒建议，珊瑚的复杂结构可以作为研究目标之一。此外，“维纳斯的花篮”海绵的结构已经启发了生物材料的设计，其中包括一种3D打印的网格结构。与当前的桥梁采用的网格结构相比，这种结构的负载能力更强。研究团队希望能通过理解海绵的流体特性，应用减小阻力的设计原理，从而改进未来的摩天大楼、潜水艇以及宇宙飞船的设计。

撰文：马蒂·本德尔（Maddie Bender）

翻译：董子晨曦

本文来自：中国数字科技馆