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蘑菇的秘密:从森林地面到材料科学前沿的结构革命

发布时间: 2025-06-29 21:33:43    最后更新: 2026-11-09 07:52:41    阅读:2,814  约4 分钟阅读     

【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。

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