在航空航天、防护装甲等高端工程领域，轻量化结构材料需要在承受极端载荷的同时，兼具高强度、高能量吸收能力和各向同性响应。传统力学超材料往往追求“完美有序”的周期性晶格结构，通过精确调控几何拓扑来实现性能优化。然而，自然界中许多杰出生物材料（如骨骼、木材、墨鱼骨等）在微观至介观尺度上却呈现出显著的无序特征。这种“随机性”究竟是进化留下的缺陷，还是经过亿万年自然选择优化的功能设计？长期以来，工程界倾向于将生物结构简化为理想化周期模型，却可能因此忽略了无序性本身蕴含的力学智慧。

受墨鱼骨（cuttlebone）离散无序结构的启发，北京理工大学何汝杰教授、李营教授团队提出了一种"可控无序"设计策略，通过单一参数精确调控结构无序度，成功制备出兼具超高比强度、超高比能量吸收和近各向同性剪切响应的仿生超材料。实验与模拟表明，随着无序度增加，材料的压缩强度提升约41%，比能量吸收激增206%，而剪切刚度各向异性比提升近20倍，剪切强度各向异性比突破0.9，实现了从"各向异性"到"近各向同性"的质变。相关成果以“Unraveling the Power of Disorder: A Bioinspired Cuttlebone Structure with Superior Strength, Energy Absorption and Isotropy”为题，发表在Advanced Science上。

研究团队首先对天然墨鱼骨进行了深入的微观结构表征。X射线显微CT和扫描电镜揭示了其独特的建筑学特征：水平隔膜封闭了一系列气体填充的腔室，每个腔室由离散、竖直取向的壁板分隔。这些壁板呈现出接近正弦波的波纹形态，且以非周期性方式排列——波幅从底部到顶部连续增长，壁板长度呈随机分布（图1c-f）。力学测试令人惊讶：尽管墨鱼骨由脆性方解石构成，其压缩应力-应变曲线却表现出类似韧性泡沫的"弹性-平台-致密化"三阶段行为，锯齿状平台对应逐层壁板坍塌，而横向应变几乎不变，展现出非凡的结构稳定性（图1g-h）。这表明，墨鱼骨内部的无序架构对其力学性能起着决定性作用。

图1 墨鱼骨形貌与性能 

基于这一发现，团队提出了仿生墨鱼骨结构（BCS）的设计框架。以6×6节点网格为起点，引入单一标量参数α∈[0,1]来标定无序度：通过拓扑约束方程对节点位置、线段角度、长度及波幅进行随机扰动，生成从完全周期性（α = 0）到完全随机（α = 1）的连续结构谱系（图2）。所有壁板单元始终保持离散不连接，确保结构连通性和相对密度的一致性——三种极端构型的相对密度差异小于0.4%，证明α仅调控几何形态，而非密度。

图2 BCS设计途径 

3D打印制备的36单元BCS样品在准静态压缩下展现出显著的无序度依赖行为（图3）。所有曲线均呈现典型的"线性弹性-屈曲跌落-延伸平台-后期硬化-最终致密化"序列，但峰值应力和平台应力随无序度直接缩放：完全无序晶格（α=1）的平台应力达到周期性的2.95倍。具体而言，α = 1时压缩强度、杨氏模量和比能量吸收（SEA）分别提升53%、6%和257%。为剥离几何多样性和密度偏差的影响，团队将晶格分解为独立单元进行线性叠加分析，发现强度和SEA仍分别超越周期的约41%和206%，而模量保持不变。这一"屈曲增强"效应与连续网络超材料中随机性通常导致过早失效的现象截然相反——离散壁板通过重新分布而非集中失稳能量，实现了无序度的"正向增益"。

高速摄像揭示了变形模式的演化：周期性BCS（α = 0）内部单元以协调的定向方式坍塌，形成全局同步屈曲带；而随着无序度增加，这种协调屈曲逐渐被抑制。完全无序BCS（α = 1）在整个压缩过程中保持稳定变形模式，与天然墨鱼骨行为一致。这种稳定化源于结构特征的多样化破坏了单元间的协调屈曲，使不同方向的剪切分量相互抵消；同时，相邻壁板的异相屈曲诱导表面自接触，增强了抗压缩能力，接触界面的摩擦进一步提升了能量耗散效率。

图3 3D打印BCS准静态压缩行为

有限元分析深入阐释了强化机制（图4）。周期性结构的上下边界可简化为"固定-滑动"约束，而无序结构则等效为"固定-固定"约束——后者在顶面引入额外高应力区，储存显著更高的弹性能。随着α增加，采用固定-固定屈曲模式的单元比例逐渐上升，验证了无序结构增强了相邻单元间的侧向约束。进一步压缩中，无序构型在平台阶段早期即产生自接触，接触单元对数量随α的增加而增加，诱导有效应力重分布，使变形机制从弯曲主导转变为压缩主导，从而支撑了高平台应力。

图4 BCS有限元分析 

深海环境中，墨鱼承受来自洋流和自身机动的全方位剪切载荷，其骨骼必须提供近各向同性的稳定性。为量化这一能力，团队将6×6单元域在不同的旋转方向（0-360^o），进行简单剪切测试。周期性BCS（α = 0）表现出显著的方向敏感性：剪切强度和模量随取向变化分别达±23%和±93%（图5c-d）。而增加α系统性地"压平"了极坐标图——α = 1时，强度变化降至±5%，模量变化降至±13%，证明无序性将晶格转化为有效的各向同性剪切介质。

这种各向同性的根源在于两个微观指标的方向偏置消除：壁板长度和波纹幅值。在周期性固体中，这些指标在每个单元中完全相同，剪切平面的任何旋转都会采样新的、无效的投影，导致剧烈的角向变化。无序性消除了这种偏置：长度和幅值分布随α → 1向全空间均匀性演化，赋予每个方向统计等效的承载面积。

增大样本尺寸进一步放大了这种平均效应。6×6、8×8和10×10完全无序域的剪切测试表明，强度和模量离散度随单元数增加从±5%和±13%降至±3%和±6%。10×10晶格接近完美各向同性，因为额外单元进一步平滑了已收窄的长度和幅值分布。定量而言，完全无序BCS的剪切刚度最小-最大比（E_min/E_max）是周期性的2081%，剪切强度比（σ_c,min/σ_c,max）超过0.9；将晶格从6×6扩展至10×10，这些比值额外推进16%和4%，确认更高的无序度和更大的样本尺寸共同驱动架构趋向理想剪切各向同性。

图5 BCS剪切行为

堆叠三层单层板形成3-周期和3-无序晶格，模拟天然墨鱼骨的分层架构。两种变体均呈现逐层坍塌的失效模式，应力-应变锯齿数等于层数（图6a-b）。然而，无序堆叠保持侧向稳定，而周期性副本则发生灾难性单侧扭折。完全无序堆叠的强度、模量和SEA分别是周期性的2.92倍、1.30倍和2.80倍——增益超过单层情况，因为高度放大了缺陷敏感性：重复单元为屈曲传播提供现成路径，而无序晶格的随机内部使载荷向多方向散射并阻止全局倾斜。

在Ashby图上，团队将BCS与八种基准晶格（TPMS、FCC、diamond、 re-entrant、HCirC、Tensegrity、HSCBCC、Octet-truss）进行归一化对比（图6d）。完全无序BCS（α = 1）占据右上象限，同时 展现 该组中最高的比强度/E_s和比能量吸收/E_s，并提供近各向同性剪切响应。该图证实，拓扑随机性将墨鱼骨结构提升到了一个现有周期性超材料无法触及的性能区域

图6多层BCS准静态压缩行为 

总结而言，这项工作通过揭示随机架构如何调控离散固体的力学行为，将墨鱼骨的无序结构转化为可调控的超材料。单一参数α将晶格从完美周期性拨至完全随机性，同时保持相对密度恒定；在α = 1时，仿生无序墨鱼骨结构较周期性的比强度提升41%，比能量吸收提升206%，平台应力翻倍，并抑制全局屈曲。无序性同时消除了剪切各向异性——E_min/E_max提升1981%，σ_c,min/σ_c,max突破0.9，形成一种各向同性、耐损伤的固体，像其天然模板一样逐层坍塌。这些发现确立了离散随机性作为一种此前未被充分开发的设计维度，有望为航空航天、汽车和海洋应用中更轻、更安全、更高效的防护系统开辟了一条新路径。

论文第一作者为北京理工大学先进结构技术研究院博士研究生史增钦，通信作者为李营教授、何汝杰教授。

  

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73380