蘑菇的秘密：从森林地面到材料科学前沿的结构革命

【中国观察2025年6月29日讯】

来自纽约州立大学宾汉姆顿分校与加州大学默塞德分校的研究人员，正将目光投向一个出人意料的对象——蘑菇，探索其在材料科学领域的革命性潜力。

这些曾被人们仅视为食材的菌类，如今被重新审视其微观结构的奥秘。发表于《先进工程材料》期刊的研究表明，蘑菇的细胞构造蕴藏着创造既坚固又灵活的新型材料的潜能，可能为航天、建筑等多个产业带来突破性变革。

蘑菇是由称为菌丝（hyphae）的细长丝状结构构成。这些菌丝是由真菌细胞串联组成的链条，协同形成出乎意料的强韧结构。而其强度的关键，正是这些菌丝的组织方式。

例如，白蘑菇（white button mushroom）的菌丝排列杂乱无章，因而在各个方向上都呈现出均匀的强度；而舞茸（maitake）则拥有具有方向性的排列，使其在某一方向的受压强度显著更高，表现出“各向异性”特征。

为了理解这些差异背后的力学原理，研究团队将蘑菇脱水处理以去除水分的干扰，随后通过电子显微镜观察其内部构造，并进行了压力压缩测试。

实验结果表明，白蘑菇在任何方向上压缩时表现出一致的强度，这归功于其菌丝排列的随机性。而舞茸的菌丝呈有序排列，当在菌丝排列方向上受压时，其承受能力显著增强，依然保持灵活性。

研究人员随后运用3D计算机模拟，将蘑菇的结构建模为微型梁的网络。他们发现，当这些“菌丝”垂直排列时，材料的刚性可以提升近一倍（100%）。这表明，材料的内部结构排列对其力学性能的影响，远远超过构成材料本身的种类。

从自然汲取灵感，重新定义材料设计

该研究的共同作者、宾汉姆顿分校助理教授米尔·贾利尔·拉扎维（Mir Jalil Razavi）表示：“我们仍然能从自然中学到太多，眼下只是刚刚开始。”

研究团队计划基于人工智能生成的设计模型，使用3D打印技术制造原型，并对其进行极端应力测试。他们希望通过实验验证计算机预测的性能表现，从而建立一套可复制的设计方法论。

这项研究的潜在影响非常广泛。在航天领域，对材料既轻质又高强的需求使得此类新材料可能成为变革的关键。医疗设备制造商也对这种仿生材料抱有期待，或可用于制造与真实骨骼结构强度和触感相近的支撑结构。

此外，那些正尝试用蘑菇材料替代皮革与塑料包装的企业，也可以通过控制真菌生长模式，实现对材料性能的精细调控。

人工智能在这一研究中发挥了关键作用。深度学习模型能在几秒钟内模拟数万个菌丝体，这种任务以人力几乎无法完成。AI不仅能处理庞杂的几何结构，还能在庞大的设计空间中迅速搜索最佳结构组合。

真菌在数百万年的进化过程中不断优化自身细胞系统，以平衡柔韧性与抗压性。这种自然界的进化成果，恰恰为人类工程提供了前所未有的灵感与蓝图。

从能抵御地震的建筑材料，到航天器所需的超轻高强部件，蘑菇启示的材料设计思路，或许将彻底重塑21世纪的材料科学前沿。