自然界在材料的精巧设计方面抢先了一步。现在，科学工作者认为，他们能够创造出比木材和珍珠母更优良的材料。假如想了解一些有启发性的材料设计，只要去看一下后花园即可。从树干到刺猬的棘状突起，大自然为我们提供了一系列众所周知的、最坚固、最精巧的材料。现在，研究工作者在开始模拟自然界，去寻找用于防弹服到喷气发动机等各方面的材料。

许多天然产物足以令人折服。如木材能支持建筑物达数百牟之久，它比一切其他材料都更广泛地用于修筑房屋、桥梁，制造家具设备和工具。此外，自然界的材料通常是在无害的条件下，在室温条件下，在水基溶液中形成的了而人造材料则不然，如陶瓷或聚合物等，无不需要高温或有毒的溶剂。

不过生物材料也有其弱点，如羊毛等材料在不太高的温度下就会发生皱缩，还有些材料则不耐水，甚至往往在略为潮湿的环境下就会腐败。此外还有一些明显的麻烦，即它们往往不具有理想的尺寸和形状。树木成材时，造物主是不会考虑到使其适合做桌子还是适合做地板的，因此，木材总量的10%左右最终均成为锯屑。

珍珠王

这里就是人们认识仿生科学的地方。仿生学模仿自然界一些非常有效的特性，它目前正开始盛行。譬如剑桥大学的B · 克莱格借模拟珍珠母的结构，在研制用于制造极端坚韧的喷气发动机叶片的材料。许多软体动物外壳内层上的珍珠母，其95%为白垩，然而这里的白垩比块状白垩要坚固达3000倍——一脚踩在帽贝壳上，帽贝多半还活着。珍珠母的坚固，全靠它的复合结构，珍珠母大部分为致密的晶状碳酸钙——霰石，以宽约8微米、厚约0. 5微米的细微“片晶”排列成层。而把片晶粘合起来的则是胶粘丝状蛋白质那纤细的“基质”。

这样的组合从两方面为韧度提供了保证。首先，当把重物放到珍珠母上时，晶片即发生开裂，但当裂缝要穿过蛋白质层时即被阻发生偏移。这就分散了作用力，从而就会使开裂立即停止。数年前，在雷丁大学工作的A · 杰克逊与英国化学工业公司合作，证明了还有第二个增强因素，随着裂缝的形成，蛋白质基质能拉伸成跨过裂缝的纤维。这一过程会吸收能量，而能量对于继续开裂来说是必不可少的。

然而，珍珠母也有其弱点：其丝状蛋白质基质在60℃左右即开始分解。克莱格把珍珠母的巧妙结构跟耐热材料相结合，着手提高材料的耐热性。他压出150微米厚的陶土音薄片，把它们一层一层叠起来、层间撒上石墨，然后将其烧结。由此制得的材料能耐受1500℃左右的高温，并具有陶瓷烤盘全部的耐用性。跟珍珠母一样，由于裂缝在层间受阻发生偏折，所以韧度有很大的提高。在克莱格的早期试验中，其所得材料的韧度比珍珠母高出3~4倍。

螺旋管的奥妙

目前克莱格正在研制用于喷气发动机蜗轮叶片的材料。现今金属蜗轮叶片总与笨重的冷却装置分不开，因为发动机发热常远远超过1000℃，为了防止叶片熔化，就得使用冷却装置. 而由克莱格制得的陶瓷珍珠母叶片，有朝一日或许会使冷却装置成为多余之物。

木材是自然界又一种出色的材料。按单位重量计，它承受拉力的强度和韧性跟钢一样。第二次世界大战中，使用一种有史以来最不易摧毁的飞机——蚊式轰炸机，就是由夹在致密的层压板之间的轻木制成的。木材非常坚韧，因而是非常“保险的”材料。当裂缝通过木材发展时，它破裂得比较缓慢，因而人们能察觉其发生，从而来得及采取相应的措施。

木材是由平行的、首尾相连的细长的中空管，其上绕着螺旋状的纤维素纤维，埋在复杂的聚合树脂——本质素的基质中构成。螺旋状卷绕层占管壁总厚度的80%，乃是主要的承重成分。早在70年代，雷丁大学的J · 戈登和G · 杰罗尼米迪斯就阐明了这一螺旋卷绕层对木材韧度所起的作用，他们的工作最终导致了一种新的复合材料诞生。

他们的出发点是这样的：如果木材只是纤维在树脂基质中的简单组合物，则其韧度将主要取决于摩擦力，后者使得纤维难以从周围的基质中抽出。但他们发现，木材的韧度比仅由这种作用机制所估计出的至少要高出10倍。杰罗尼米迪斯发现，木材之所以取胜，在于它借形成削弱材料最少的复杂裂缝，消耗用于产生裂缝的能量。这就像抽拉螺旋状卷绕的手工纸管的端部一样。当其破坏时，部分是由于向内卷曲，使其直径减，部分是由于形成沿管子延伸一段距离的螺旋状裂缝。

开裂而仍保持完整

木材就是按这样一种机制破裂的。当木材的细长管向内卷曲时，它会脱离周围的管子，同时吸收能量。形成与缠绕的纤维平行的螺旋状长裂缝，消耗了一段短距离内用于开裂的能量。并且由于裂缝沿着木质素基质内纤维间延伸，故纤维依然保持完整无损，因此木材并不崩溃。尽管它已“破裂”，但依然能支承显著的负荷。

杰罗尼米迪斯曾用以树脂粘在一起的玻璃纤维绕成螺旋状的管子来模拟木材。这样制得的材料，按单位重量计，可比现有的其他任何合成材料坚韧50倍。但是玻璃纤维的盘绕和粘合都不太容易，因此杰罗尼米迪斯提出了一个经济方便的方法。他用一张张平行的玻璃纤维板在未硬化的树脂中将其弯曲并在模子中胶合，以得到与波纹纸板有类似比例的波纹结构。

在这一设计中，沟纹间的长缝隙与木材中空的细长管极为相似。该设计的巧妙之处在于，把纤维配置得与波纹脊成15o左右的角，有点像木材管壁的螺旋状卷绕。看来这种新材料破裂时的机理与木材相似，抗冲击性能有很大的提高。在雷丁大学，我们目前正在研制用于防御子弹或炸弹碎片等高速粒子的材料。我们希望最终能使之制成轻型防弹服。

大自然还设计出最佳的管状结构——如植物的茎杆。要管子具有高度的刚性. 最好得把物质集中在远离中心处。自然界把这一概念用到了羽轴、豪猪的刺、刺猬的棘状突起以及蘑菇等等方面，

但是自然界很少绝对地把所有的物质均安置在边缘部分。植物的茎杆和豪猪的刺中间均有轻质的海绵状物质，这样有助于支持薄的管子外壁抵抗局部弯曲*这种结构比中空的管子更能弯曲。以刺猬的棘状突起为例，80年代，我与P · 奥厄斯一起证明了欧洲刺猬棘状突起的内部为蜂窝状结构，异常坚固而有韧性。由于有蜂窝状结构支撑着棘状突起，所以刺猬从数米高处跌下也无妨，当其棘状突起着地时只是蹦几下而已。受蹦跳刺猬的启发，戈登发明的一种新型防穿刺轮罩，其中用许多具有橡胶吸震性能的小“刺猬棘状突起”代替轮胎。同样，在跑鞋中也可把橡胶替换掉。

去年，麻省理工学院的吉布森指出，把数学模型同试验结果作对照可知，这种蜂窝结构甚至比植物中的海绵状结构还有效得多。这对于设计赛车乃至设计空间站等轻型装置的设计师们来说，具有重大的意义。用于赛车前悬架的管子有时是由泡沫材料充填的铝合金管制成的，但刺猬启示我们，蜂窝状物优于泡沫材料。尽管自然界再次把我们抛在后面，我们至少得急起直追才是。