鳥巢其實(shí)是自然界的一種工程學(xué)奇跡。一些柔韌而無(wú)序的小樹杈,，被精心編織成一種輕巧而富有韌性的材料,。鳥似乎有一種天然的直覺，能把一根根棍棒的特性,，巧妙地轉(zhuǎn)化為鳥巢的獨(dú)特性質(zhì),。為了筑巢，鳥兒不會(huì)去找任何枯舊的樹枝,。它們是挑選材料的一把好手,，最終能造出舒適又堅(jiān)固的家。

受到鳥巢的啟發(fā),，一組研究團(tuán)隊(duì)利用X射線成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬,，更深入地了解了這些由短棒編織成的巢狀結(jié)構(gòu)是如何獲得不同尋常的力學(xué)特性的,。

他們發(fā)現(xiàn)，短棒之間的摩擦力,，和短棒接觸點(diǎn)的分布,，在決定巢穴特性方面起著至關(guān)重要的作用。這也能幫助我們了解那些類似鳥巢的材料的力學(xué)特征,。研究已于近日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

  鳥巢力學(xué)  

鳥巢其實(shí)可以看作一種特殊版本的顆粒材料,。顆粒材料指的是一種由許多較小的物體構(gòu)成的材料,，比如砂土。一些顆粒材料像大米一般由致密顆粒隨機(jī)堆成,，還有一些則像頭發(fā)那樣由硬質(zhì)纖維糾纏而成,，鳥巢則位于這兩者之間。

在實(shí)驗(yàn)研究中,，團(tuán)隊(duì)將460根短竹棒隨機(jī)倒在一個(gè)透明的塑料圓筒中,，并用一個(gè)活塞反復(fù)壓縮圓筒內(nèi)的竹棒，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬,。

團(tuán)隊(duì)利用實(shí)驗(yàn)（左）和計(jì)算機(jī)模擬（右）研究了一個(gè)容器中受到活塞擠壓的短竹棒的力學(xué)行為,。（圖／Y. Bhosale et al.）

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下壓的活塞被釋放時(shí),，這些竹棒會(huì)差不多回彈到原始的體積,，但它并非以線性方式形變的，換句話說(shuō),，形變（應(yīng)變）并不是簡(jiǎn)單地和施加的應(yīng)力成正比,。活塞對(duì)竹棒施加的力越大，它們就越堅(jiān)硬,，這意味著它能抵御進(jìn)一步的變形,。

當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，竹棒之間會(huì)發(fā)生滑動(dòng),，它們之間的接觸點(diǎn)也會(huì)隨之重新排列,。為了更好地理解這種行為，團(tuán)隊(duì)借助計(jì)算機(jī)輔助X射線斷層掃描創(chuàng)建了竹棒之間接觸點(diǎn)的三維圖像,，追蹤這些接觸點(diǎn)在壓縮和釋放的周期中如何變化,，這是理解該材料的關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)顯示,，隨著不斷壓縮,，竹棒之間會(huì)形成更多接觸點(diǎn)，它們限制了竹棒的彎曲,，使得這一摞竹棒的剛度增加,。這一觀察解釋了應(yīng)力-應(yīng)變曲線的非線性特征。

團(tuán)隊(duì)還觀察到，竹棒的剛度變化似乎滯后于活塞的運(yùn)動(dòng),，被稱為滯后效應(yīng),，這種效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致活塞推入時(shí)短棒堆的硬度比活塞縮回時(shí)材料反彈的更大。也就是說(shuō),，壓縮時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,，與釋放時(shí)的曲線并不重合，兩條曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)一致,，但具體路徑并不相同,。這種力學(xué)行為也會(huì)出現(xiàn)在一些徑高比較低的球形顆粒的壓縮中。

準(zhǔn)靜止應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)曲線,。（圖／Y. Bhosale et al.）

研究認(rèn)為,，滯后效應(yīng)意味著，能量不只通過棒的彈性彎曲來(lái)儲(chǔ)存,，在接觸點(diǎn)開始重新排列之前,，還需要克服竹棒之間的初始摩擦。當(dāng)棒彼此之間出現(xiàn)滑動(dòng)時(shí),，一些能量會(huì)以摩擦熱的形式損失,，損失的量與循環(huán)所圍成的面積成正比。計(jì)算機(jī)模擬中也出現(xiàn)了同樣的定性行為,。

  “無(wú)限”的巢  

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)和模擬是了解這種不尋常結(jié)構(gòu)的第一步,，但科學(xué)家同樣承認(rèn)，它和真實(shí)的鳥巢仍有一定差距,，尤其是,，真實(shí)的鳥巢的周圍并沒有受到容器（圓柱壁）的限制。

團(tuán)隊(duì)目前正在評(píng)估這類結(jié)構(gòu)特性,，會(huì)如何隨著尺寸的擴(kuò)大而變化,，并希望最終能將結(jié)果推論到一個(gè)“無(wú)限”的、沒有邊界效應(yīng)的巢上,，甚至發(fā)現(xiàn)這類結(jié)構(gòu)自我支撐的秘密,。

除了鳥巢，這項(xiàng)研究還可以應(yīng)用在其他由長(zhǎng)纖維無(wú)序排列組成的材料上,，比如毛氈,。隨著對(duì)這些材料的力學(xué)特性有了更深入的了解，工程師就有機(jī)會(huì)用它們創(chuàng)造出新的結(jié)構(gòu),。