海星如何构建能‘看见’的材料

# 能"看见"的海星材料是如何构建的 来源：https://www.engineering.upenn.edu/stories/how-sea-stars-build-materials-that-can-see/ 当工程师们思考防护材料（如用于包装和支撑的材料）时，通常考虑的是强度、刚度和耐久性。但如果这些材料同时也能感知外部环境呢？ 这个问题对宾夕法尼亚大学材料科学与工程系副教授李岭（Ling Li）来说，是在他的实验室与同事研究海星如何构建轻质且富有弹性的骨骼时意外浮现的。 "我们研究海星是为了理解自然界如何创造出既坚固又轻质的多孔骨骼材料，"李岭说，"然后我们发现了嵌在海星腕足末端的透镜状结构。" 这个意外发现成为了一项发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的研究的焦点。在这项研究中，李岭、第一作者兼博士生陈柳妮（Liuni Chen）以及来自宾大工程与应用科学学院、弗吉尼亚理工、麻省理工、鲍登学院、南卡罗来纳大学和柏林茨塞研究所的合作者揭示，海星 *Protoreaster nodosus* 的骨骼包含能够引导和聚集光线的特殊矿物结构。这一发现表明，自然界可能已经演化出一种将机械支撑和光学感知结合在同一个材料系统中的方法。 海星（Protoreaster nodosus），俗称角海星或巧克力片海星，分布于印度-太平洋地区的浅水海域（© 陈柳妮）。 #### 自然界中的多功能材料 李岭承认这一发现是偶然的，但海星骨骼的多功能性确实是有意且符合预期的。 "天然材料通常需要同时完成多项任务，"李岭说。"它们提供结构支撑、保护、感知和其他功能。我们研究这些系统是如何设计的，然后提取出可以启发未来工程材料的基本原则，例如轻质抗冲击结构、能够感知损伤的自监测材料，以及用于航空航天、运输和防护应用的架构材料。" 与其他棘皮动物（包括海胆和蛇尾）一样，海星利用工程师们熟知的碳酸钙矿物来构建其骨骼。碳酸钙虽然轻质且丰富，但本质上很脆。为了减轻重量而使其多孔化，通常会让它变得更脆弱。 然而，海星却实现了相反的效果。它们的骨骼高度多孔，但仍然坚固、富有弹性，能够承受海洋生活的需求。 李岭的团队最初的目标是理解这种非凡骨骼结构的原理，这一探索让他们发现了一种独特的双尺度架构微格结构，并作为封面故事发表在《科学》杂志上。但当他们检查海星腕足末端时，注意到了一些不寻常的东西：数十个光滑的、类似透镜的突起嵌入在矿物骨骼中。 李岭手持两个不同大小海星的骨骼，两者都显示出碳酸钙骨架。 #### 跨领域合作理解海星 利用高分辨率成像和光学实验，研究人员发现这些结构——被称为导光结构——像微小的矿物锥体一样深入骨骼深处。它们并非只起机械作用，而是能够将入射光传输并聚焦到骨骼单元内部的一个空腔中。光学模拟显示，单个结构可以引导约70%的入射光，并将其聚集在其底部。作为一个阵列协同工作，这些结构能在宽视场范围内收集光线，并产生比任何单个结构强数倍的信号。 这一发现帮助解决了一个长期存在的谜团。几十年前，在蛇尾和海星中就观察到过类似的透镜状特征，但其功能一直不清楚。 "另一个小组此前已经在蛇尾中发现了相关的透镜结构，"李岭说。"当我们在海星中也发现类似特征时，我们就能把线索联系起来，并对其进行系统性的研究。" 通过结合材料科学、光学、生物学、晶体学和计算建模方面的专业知识，研究团队的目标不仅是要了解这些结构的外观，还要了解它们如何在动物的日常生活中发挥作用。 光感知可以帮助海洋生物探测捕食者、寻找庇护所、定位食物以及导航环境。尽管这些结构的确切生物学作用仍在研究中，但这项工作表明，海星骨骼的作用远不止提供支撑和保护。 对于工程师来说，这种多功能性可能是该发现最激动人心的方面。 "在自然界中，一个结构往往有多种用途，因为生物体制造材料的成本很高，"李岭说。"进化倾向于使用相同的材料系统来实现多种功能，因此在材料制造和设计中采用这种方法，只会帮助我们设计的工程结构性能更好、成本更低。" 李岭实验室成员从左到右：（前排）博士生于里·库里哈拉（Yuri Kurihara）、博士生陈柳妮（Liuni Chen）、博士生夏洛特·陈（Charlotte Chen）；（后排）博士后李彦斌（Yanbin Li）、博士后赵兴辰（Xingchen Zhao）、博士生耿洋（Yang Geng）、博士生胡宸浩（Chenhao Hu）、硕士生柯武·卢-当（Khue Luu-Dang）。 #### 将海星骨骼的启示应用于工程材料 多功能设计在工程学中并非新概念，但将附加功能集成到材料中通常会带来权衡。例如，添加传感器可能会牺牲强度、重量或耐久性。 李岭的实验室为这种工程方法增添的是他从大自然中寻找解决方案的方式。海星的方法可以是一个宝贵的经验教训。 "这种动物没有将传感组件附加到保护结构上，而是将光学功能直接嵌入到其骨骼结构中，"李岭说。"同一个多孔的矿物框架既提供支撑，又包含内置的导光元件，而这些生物已经经历了数百万年的进化来完善这些功能。" 扫描电子显微镜（SEM）图像显示去除软组织后的海星腕足骨骼。位于腕足末端的终板上含有许多凸起的导光结构。图像宽度约为5毫米（© 陈柳妮）。 #### 为什么这种特定的多功能组合在工程学中很重要？ 自然界的这个例子可以启发未来的工程材料，例如轻质泡沫、包装材料以及能够同时保护和监测周围环境的航天器结构部件。 轻质多孔材料和泡沫广泛应用于包装、运输和结构支撑领域，但它们通常只起到机械作用。受海星的启发，工程师可以设想未来的材料在不牺牲结构性能的情况下集成传感能力。 "想象一下，一个防护板不仅能吸收冲击，还能监测环境条件、检测损伤或提供关于其周围环境的反馈，"李岭说。"海星证明了这种组合是可能的。" 李岭手持一个海星的骨骼（左），它由许多毫米大小的骨骼单元（称为骨板）组成。这些生物矿化的骨板主要由碳酸钙构成，其化学成分与右侧所示的地质方解石晶体相同。 #### 多孔性增加强度 这项研究还强调了另一个来自自然界的经验：几何形状很重要。 海星骨骼由复杂的孔隙网络组成，这些网络在保持机械性能的同时最大限度地减少了材料的使用。在传统的工程材料中，添加孔隙通常会降低刚度和强度。海星通过精心控制的架构设计克服了这一挑战。 "在微观层面上，孔隙之间的过渡非常平滑，"李岭解释说。"这使得应力能够更均匀地分布在整个结构中。" 李岭团队之前的工作表明，这些骨骼结构还可以定位裂缝，防止小裂纹在整个系统中扩展。这些策略共同使一种脆性矿物能够以传统陶瓷材料通常无法实现的方式发挥作用。 导光结构的发现为一个本已非凡的材料系统增加了另一层复杂性。在模拟中，这些结构不仅能传输光线，还能增强周围骨骼的刚度，这强化了光学和机械功能可以在单一设计中并存的观点。 #### 仍在揭示大自然的秘密 像这样的发现强调了以好奇心研究自然系统的价值，而不是仅仅关注直接的应用。 "许多最有趣的发现都是偶然发生的，"他说。"对于这些生物如何运作，我们还有很多未知。" 这种探索感继续指导着实验室的研究。该团队现在正在研究导光结构在生长和再生过程中如何形成，这一过程被称为生物矿化和形态发生。理解海星如何构建这些复杂的矿物结构，可以为可持续制造和材料生产提供额外的见解。 "自然界在常温和常压下构建复杂的矿物结构，其能耗远低于许多工业制造过程，"李岭说。"通过揭示这些生物系统背后的机制，我们可以找到更高效地创造先进材料的新途径。" 了解更多关于李岭研究的信息，请点击此处（https://lingli.seas.upenn.edu/）。 *这项工作得到了美国国家科学基金会（NSF）的支持（资助号 1942865 和 2432445），并部分获得了人类前沿科学计划（HFSP）的研究资助（Ref.-No: RGP016/2023. 10.52044/HFSP.RGP0162023.pc.gr.168601）。*