从动物进化中学习以复制用于减振和声波控制的材料

经过数百万年的进化，大自然已经产生了具有非凡特性和功能的生物系统。许多生物通过创造非常有效的材料和结构来适应它们的特定环境。这些材料在机械、热学和光学性能方面进行了优化，有时甚至技术仍然无法复制。

这些特性通常是通过“分层”结构实现的，其特征长度同时从宏观到纳米尺度，分层结构在木材、骨头、蜘蛛网或海绵等材料中很容易观察到。

到目前为止，重点主要集中在自然界从“准静态”力学性能的角度优化的结构，例如断裂强度、韧性或粘附性，而对动态性能的研究则少得多，例如减振、吸音或传声。

特别是，目前关于层次结构如何在优化自然结构中发挥作用的知识有限。

在最近发表在Matter杂志上的一篇文章中，都灵理工大学FedericoBosia、AntonioGliozzi和MauroTortello的研究人员与都灵大学、特伦托大学和里尔CNRS的同事一起收集并系统化了一些引人注目的例子，这些例子存在于自然，波和振动控制的结构优化，突出了不同生物系统中的一些共同特征和策略。

该研究将使“模仿”其中一些结构并采用仿生方法成为可能，将其应用于声学超材料(即最近出现的用于控制声波的创新材料)的设计。

从这个角度来看，感兴趣的生物结构可以分为三大类：

极耐冲击的结构——例如啄木鸟的头骨、螳螂虾的“锤状棍棒”或一些贝壳的结构

感知和捕食的结构——蜘蛛、蝎子、飞蛾(一种飞蛾已经进化形成翅膀，由一种天然超材料组成，使蝙蝠的声纳看不见它们)，甚至大象，每一种都制定了一种创新的策略来产生并利用各种频率的振动

用于控制、聚焦和放大声音的结构——例如海豚的回声定位系统和哺乳动物中复杂而特殊的结构：耳蜗

最终，通常可以在所考虑的各种情况下找到共同特征，例如组分的异质性、可变孔隙率、分层组织和有效的共振机制。

“这项审查工作，”FedericoBosia、AntonioGliozzi和MauroTortello评论道，“有助于更好地了解大自然通过数百万年的进化优化的许多系统。更好地了解它们的功能和共同特征有助于开发材料，使用大自然已经优化的东西。这对于涉及操纵声波或弹性波的各种应用非常有用，例如，从用于防止地震波的系统到其他允许弹性波能量在微尺度(能量收集)。”