随着人类社会进步和现代工业发展，人们不仅需要超高“比刚度”和“比强度”的材料，也需要“超薄超细超长超轻”的高性能结构。如何在工程中实现对材料和结构性能的这些极端要求，是科学技术上的巨大挑战。为了获得科学灵感，我们决定向大自然学习。自然界经过亿万年的演化，各种生物为了生存，已经进化出了适应其特定生存环境的材料和结构。经研究发现，一种叫做“阿氏偕老同穴（Euplectella aspergillum）”的深海玻璃海绵的结构令人瞩目，它在海底时时刻刻抵抗着湍流的冲击，已进化出来能抵抗海底环境中各种荷载的优质材料和结构。深海玻璃海绵的点阵结构提供了科学灵感，启发我们可以通过仿生实现对材料和结构的极端要求。然而仿生的目的不只是模仿，人类应当在学习自然的基础上，超越自然。在科学理论的指导下，如何实现对这种深海玻璃海绵结构力学性能的超越是个科学难题。
基于此背景，西安建筑科技大学力学技术研究院孙博华教授团队开展了受玻璃海绵结构启发的点阵结构优化研究。相关工作以Optimization of a lattice structure inspired by glass sponge为题，发表在以仿生与工程为主题的期刊Bioinspiration & Biomimetic上。
作者对“阿氏偕老同穴”（图1）的结构进行了细致的有限元研究，受到其结构的启发，经过优化设计，作者利用了“粗短抗压”（图2）的力学原理，在结构质量不变的情况下，巧妙地利用多目标优化的方法，得到了多项性能都超越玻璃海绵的构型，实现了多荷载条件下对海绵结构设计的超越。
图1 阿氏偕老同穴的骨骼结构
相比哈佛大学Fernandes等人的仿生设计（M. C. Fernandes, J. Aizenberg, J. C. Weaver, and K. Bertoldi,“Mechanically robust lattices inspired by deep-sea glass sponges,”Nat Mater, vol. 20, no. 2, pp. 237–241, 2021. doi: 10.1038/s41563-020-07.），多项性能都实现了超越，其中抗压、三点弯曲、热稳定性、抗弯性能方面的参数甚至都超过了50%左右（图2）。
图2 “粗短抗压”的力学原理和性能比较，其中A是哈佛大学的设计，F是作者的设计
采用优化设计结果的悬臂梁在等质量的情况下大大降低了结构在自重作用下的挠度（图3）。
图3 大型悬臂梁自重作用下的纵向位移云图
为了进一步验证新构型性能之于海绵启发构型的优越性，展开了单轴压缩性能的试验，结果如图4所示，优化设计得出的新构型的单轴抗压承载能力和刚度均强于海绵设计。
图4 优化设计（设计F）和海绵模拟设计（设计A）的有限元和实验结果
在玻璃海绵启发的点阵结构优化研究的基础上，西安建筑科技大学力学技术研究院孙博华教授团队继续开展了生物启发对角增强方形蜂窝夹芯板低速冲击响应的数值模拟研究。相关工作以Numerical analysis of low-speed impact response of sandwich panels with bio-inspired diagonal-enhanced square honeycomb core为题，发表在力学TOP期刊International Journal of Impact Engineering上。
我们可以通过仿生的方法，利用生物结构在力学上的优势来开发高效的工程结构。尤其是多胞材料夹层结构，其具有良好的能量吸收和抗冲击性能。蜂窝材料具有较高的能量吸收能力，由于其壁面在失效过程中的渐进折叠机制，可被用于夹芯板的夹芯，以提高抗冲击性能。深海玻璃海绵的几何结构有很好的力学性能，但至今尚未应用到夹芯板的夹芯上。此几何形式在冲击响应上的潜力很大程度未被充分发掘。
作者基于玻璃海绵的局部几何构型设计了两种对角增强方形蜂窝芯（图5）。其几何形式可用于夹芯板的夹芯（bio-inspired diagonal-enhanced square honeycomb core，称之为BSHC），旨在研究BSHC对夹芯板低速冲击响应的影响。
图5 BSHC的几何构型
采用经过验证的有限元模型模拟了5种具有不同夹芯的夹芯板的低速动态响应，保持5种蜂窝夹芯的相对密度相同，夹芯板及其蜂窝夹芯设计如图6所示。
图6 夹芯板设计
图7显示了不同冲击能量下HHC夹芯板和两种BSHC夹芯板的有限元模拟结果中夹芯的应力分布和面板变形。BSHC可有效降低夹芯板的应力和变形，采用这种形式的夹芯有利于应力的分散，将动荷载有效地从前面板传递到后面板，而芯材本身不容易出现应力集中。一般来说，两种BSHC比同等相对密度下的HHC具有更理想的变形模式和更好的抗冲击性能。
图7 BSHC和HHC的应力分布和夹芯板面板变形
最后，从理论上预测了低速冲击下BSHC夹芯板和HHC夹芯板的峰值荷载和接触能，与数值结果吻合程度较高，由能量平衡模型预测的峰值力与数值模拟的比较如图8所示。
图8 理论预测峰值力与数值模拟的比较
“玻璃海绵启发的点阵结构优化及低速冲击响应”备忘录
2019级博士研究生李权威
从开展课题的研究到现在，已经一年有余，目前两篇文章终于网络出版。特写下此备忘录，以详细记录本篇论文从无到有的过程以及个人的心得体会。
2021年1月13日，孙老师注意到Nature Materials上的一篇文章“Mechanically robust lattices inspired by deep-sea glass sponges”，建议我学习，并提供了一些后续研究的思路。这是我学术生涯最幸运的一个开端。我们都知道，要想拿到博士学位，最艰难的其实就是选题，好的选题往往就是成功的一半。这里要说明的是，在这个时间节点上，我已经博士入学将近两年，但是苦于寻找不到合适的课题，每天都愁容满面。
有关选题，孙老师强调：“老师只是提供建议，博士研究生一定要独立思考并选择自己的课题”。我随即便跟进了这篇论文，并对此产生了浓厚的兴趣。二月初，已经复现了这篇论文的部分结果，三月份，我开始尝试参数化建模，为之后的优化分析做准备。随着持续的学习，我发现这个课题几乎是为我量身定做，老师将这个好课题给我做，一定是有因材施教的考量。
孙老师还经常告诫我们：“科研能力很大程度上是创造能力，就是找课题的能力。在做课题过程中发现新问题的能力也包含在内。”在这项研究的过程中，随着老师不断的引导与追问，我也逐步发现了一些新的问题并尝试解决它们。课题进展中，我记录了许多点点滴滴的细节，以供自己反思，形成好的经验。
数值模拟是力学研究的必要手段之一，在进行模拟计算时，首先在材料参数、单位制上面一定要仔细，不然可能会耽误很多时间并导致错误结果。反过来思考，做数值模拟的过程中要关注加载的过程，可以察觉到材料参数出现的错误。网格精细程度要和计算效率作平衡，误差控制到一定范围即可。
参数化建模方面我也有一些心得：利用商业有限元软件进行参数化建模，虽然脚本录制和代码调试过程较为繁琐，但是一旦调试成功，能成倍地提高效率。软件使用一定是熟能生巧的过程，有灵感时就要多尝试，并且及时纠正错误的方向。只要前期投入足够多的时间，后面就会事半功倍，越来越轻松。孙老师教育我们：碰到不懂的地方要多与人交流或者在网上搜索教程，不要一味蛮干。SCDM草图中的线体不能阵列，所以通过RVE阵列生成零件的思路遇到了瓶颈。通过几天的若干次尝试、改变思路，终于找到了解决办法：将草图中的线体移到新组件，再进行阵列几何就不会出错了。但是有一个问题随之而来，草图目录之外的线体无法自行刻面，经过简单的尝试，发现“填充”这一命令可以做到手动将线生成面。虽然是小问题的解决，但也让自己兴奋了好久，觉得对软件的掌握更深入，更有信心。SCDM录制脚本的心得：任何程序的代码最重要的一点就是简洁！为了方便绘制并使代码尽量简洁，可先绘制参考线，录制完毕后再将参考线对应的语句删除。这样可以较少计算机资源的占用，提高建模效率。四月份我试图开始进行几何参数优化，首先面临的问题是参数化建模。采用SCDM脚本建模，在录制及调试脚本的过程中，花费了大量时间以及精力。现总结出心得：1.首先应明确优化参数与优化目标，并简化几何上的参数化实现过程；2.要选择合适的驱动参数；3.由线体拉伸成面的操作之前，建议将线体转化成参考线，以免出现自动刻面的错误。在SCDM建模脚本调试的过程中，特别感谢师弟张振子对我的帮助。
6月9日于孙老师家：首先，向孙老师汇报了近期课题的进展。其后，孙老师给出了今后课题推进方向的建议。第一，考虑一种新的胞元构型，并考虑新的荷载：如拉、弯、剪、扭、温度、模态等。第二，在第一步的基础上，考虑一种基于海绵骨骼构型的新型复合材料。第三，后期再考虑工程应用：如输电塔。总的原则是：由基础到复杂，又静及动。孙老师鼓励我在本研究的基础上，产生新的、原创性的思想，并引导我能不能从目前的研究中，得出一般性的结论。在今后的研究中，有可能提出不同特点的胞元，将其进行组合排列，得到新的功能梯度材料。这次的交流让我茅塞顿开，思路逐渐清晰起来。孙老师强调了很重要的一点，我们读研究生一定要产生自己的学术思想，培养活跃的学术思维，并在学术过程中备忘自己所有的痛苦和喜悦，对自己和他人都是一种激励。
7月初我向孙老师汇报了近期玻璃海绵的研究进展，包括了设计新构型以及拉、弯、扭、剪、温度、模态等新的工况。孙老师听取我的汇报后，表示我对玻璃海绵的问题有了新的认识并鼓励我向深处探索。
其中让我印象最深的是老师又强调了科学研究的三个阶段：提出问题、发现问题和解决问题，其中提出问题是最困难的，希望我在推进研究的过程中，发掘深层的科学机理并提出自己的观点，从学习到模仿，最后获得提升和飞跃。孙老师对我接下来的研究提出了一些建议，1.首先最重要的是思考为什么海绵构型的力学性能优异？其深层机理是什么？在了解原理之后能否设计出更优秀的构型？2.其次考虑基于海绵骨骼的复合材料。3.最后在现有研究的基础上，考虑弯、剪同时作用。还要考虑曲率，即基于海绵构型的拱结构。一对一会议交流后孙老师鼓励道：“有进步了，记录今天提出的问题，稳步推进，定会成功！”
海绵构型力学性能为什么优异？其机理是什么。上一次在孙老师在家中问我这个问题时，我给出的初步想法是，简单地考虑压杆稳定，海绵构型中的杆单元长细比更小，更不容易出现局部屈曲。按照这个方向思考，我想到，首先可以简单地定义出等效屈曲临界力，计算结果一定是海绵构型的屈曲临界力更大。孙老师鼓励我在模仿别人的基础上获得提高，产生自己的学术思想。
7月12日，我设计出了新的构型，受压性能几乎接近海绵构型。孙老师在交流的过程中提醒我在接下来的研究中继续敢想敢做、多尝试，只有这样才能愈发逼近真理。记录整个研究过程是一件很重要的事情吗，好的研究工作一定要把故事讲得精彩、讲得引人入胜。孙老师在我设计的新构型的基础上，给予了若干建议，还提供了今后工程应用的方向，让我感到受益匪浅。7月21日跟孙老师畅聊三个小时有余，收获良多!收获了很多新的思路。首先我跟老师汇报了玻璃海绵结构研究的新进展，现在设计出的新构型承载力已经是超过海绵构型的40%。孙老师鼓励我继续优化，争取得到更好的结构。在得出优秀胞元之后，要用不同材料进行比较。最重要的是，将设计出的新构型进行多种工况的计算，并投入工程应用，如釜山电影中心的超长悬挑桁架结构，超材料胞元设计等。
“能不能用最简单的一句话讲出玻璃海绵结构为什么性能优异？”在孙老师的不断引导和追问下，我才想到了“粗短抗压”的力学原理，并产生了在海绵结构的基础上进行优化设计的思路，以期得到多荷载条件下性能全面提升的结构设计。玻璃海绵在海底长时间承受着各种形式的荷载，其性能已经演化得非常优异，超越它是一项巨大的挑战，我们利用了“粗短抗压”的力学原理，在结构质量不变的情况下，巧妙地利用多目标优化的方法，得到了多项性能都超越玻璃海绵的构型。并且最终的优化结果在多方面都超过了哈佛大学Fernandes等人的仿生设计（M. C. Fernandes, J. Aizenberg, J. C. Weaver, and K. Bertoldi, “Mechanically robust lattices inspired by deep-sea glass sponges,” Nat Mater, vol. 20, no. 2, pp. 237–241, 2021. doi: 10.1038/s41563-020-07.），其中抗压、三点弯曲、热稳定性、抗弯性能方面的参数甚至都超过了50%左右。
优化设计研究的心得:1.进行变量设计时必须调试几何模型的脚本，保证设计变量的区间内几何模型都能顺利进行。2.荷载可加得比较小（衡量等效弹性模量），以减少计算量。3.先单目标优化，了解趋势后再有针对性地进行多目标优化。
8月7日于孙老师家，讨论了文章写作的问题。首先明确了写作的重点——即提出超越海绵结构的设计。孙老师提醒我如果要将优化设计写进论文，一定要先弄懂优化原理。首先要明确写作整体的逻辑，从题目到内容，从性能的提升到工程应用。哈佛的研究者通过观察和测量抽象出了海绵结构的基本构型，我们用FEM首先验证其结果，然后计算若干新的工况以验证海绵多荷载下力学性能的优越性，重点是提出了新的构型，目标是分别在多种荷载下超越海绵构型。题目要突出对深海玻璃海绵力学性能的超越。摘要首先介绍问题的由来和科学性，然后引出文章的工作。引言部分要图文并茂，首先介绍研究进展，引出本文研究，最后说明本研究的科学意义。第二部分介绍玻璃海绵的基本构型和FEM验证；第三部分写如何超越海绵构型，并从经典力学中总结规律；第四部分提出应用：悬臂梁的挠度，验证本设计在结构力学上的优势，加上实验（3D打印试件）第五部分是结论，表达大自然的演化令人惊叹，其中一定蕴含深刻的科学规律，我们得出更优异的结果可能是其未来演化的路径之一。在第一篇文章之后，可以研究屈曲、动力学、温度影响、柱壳等，这些主题均可独立成文。
孙老师敦促我加紧试件的3D打印以及试验，鼓励我接下来一两个月内，全身心地投入课题研究并成功投稿。我也决心加快课题推进地进度，从今天开始，首先尝试3D打印出试件，然后紧接着用万能实验机加载试件，并标定材料力学性能，最后在数值模拟方面验证本原料制造出试件的性能。
经过一个月的集中整理、写作，11月整理出了文章初稿并与孙老师面谈，孙老师给出了中肯的修改建议，包括其中表述不明确等细节问题。再初步修改文章之后，孙老师建议我绘制一幅解释超越海绵设计的科学原理的示意图，目的是简单形象地说明本文设计的理论依据，我深受启发，并于18日与孙老师面谈，确定了示意图的绘制形式。
2021年11月成文后，经过了不断修改和若干次投稿，终于在2022年6月份收到仿生学与工程为主题的期刊《Bioinspiration & Biomimetics》比较认可的审稿意见。其中Referee 2的审稿意见对文章的提升有着很大的帮助，他指出了我在生物进化上“拉马克”式的错误表述，并提供了关键的几份文献供我们参考，甚至还指出了一些语言细节的错误。
8月底收到了二审意见，其中增加了一份编辑提出的中肯意见。再次修改提交后，终于在11月1日收到了博士研究生期间第一份自己作为第一作者的录用通知，这让我无比兴奋和激动，付出的努力终于得到了收获。
论文已发表在以仿生与工程为主题的期刊《Bioinspiration & Biomimeti》上，该文第一作者为2019级博士研究生李权威，通讯作者为孙博华院士。文章链接：Q.W.Li., B.H. Sun, Optimization of a lattice structure inspired by glass sponge, Bioinspir. Biomim. 2022,https://doi.org/10.1088/1748-3190/ac9fb2。
第一篇章文章完成之后，后续的研究水到渠成，第二篇文章题为：“Numerical analysis of low-speed impact response of sandwich panels with bio-inspired diagonal-enhanced square honeycomb core”。相关工作已发表在力学TOP期刊《International Journal of Impact Engineering》。在撰写第二篇文章的过程中感到异常的顺利，除了前期在计算夹芯板冲击模型时可能花了不少的时间。动态冲击的模型调试是一项耗时的工作，从中我也吸取了教训：一定要注意材料参数的设置，文献里给出的参数不一定是真实的。
值得记录的是文章的修改过程，三个审稿人都给予了中肯的意见和批评。审稿人的意见对我们的文章有很大的帮助。首先，按照审稿意见补充了有限元模型示意图和网格收敛性的验证。
这次文章的修改，最难的对能量吸收机理的补充，我在这个地方卡壳了许久才有进展。在学习了一些文献之后仍然一筹莫展，在这种关键时刻，我学习到了余同希、卢国兴、张雄三位老师的著作：《能量吸收：结构与材料的力学行为和塑性分析》，对各种结构和材料的能量吸收都有详细的叙述。其中“多胞薄壁构件”中张雄教授等人的理论正好可以为我所用，经过计算，完美地解释了“BSHC吸能性能更好”这个结论。这一次是临时抱佛脚，成功解决了问题，但是平常还是应当注意积累，多读名著。早在今年三月份冲击部分研究刚开始时，孙老师就提醒我要多学习理论书籍，思考一下理论方面的推导。由于之前没有足够的积累，导致了这次临时补课，花费了很大的功夫。
修改稿提交后半个月左右，直接收到了录用通知，这距离上篇文章的录用只有3天。短短三天内，我的两篇文章都已录用！希望在接下来的研究中，再接再厉，快速出成果。
在此深刻反省一个提交稿件过程中犯下的错误：由于自己理解不到位和敷衍了事的思想，在文章修改后重新投稿的过程中，错把Authorship contribution statement中的Conceptualization写成了自己的贡献，这是完全错误的行为。前后两篇文章都是全程在老师的指导下完成的，Conceptualization当然是由老师提出的。如果没有老师给予的这个世界级的好题目，我可能连任何值得研究的课题都找不到，发表文章更是无望！现在不仅课题持续开展，甚至还发表了TOP期刊，感谢老师给我的机会！对我犯下的这个错误，孙老师不但没有批评我，还语重心长地告诉我学术的规矩和做人的道理，使我受益匪浅。让我避免今后犯下同样的错误而导致学术生涯受到影响。这个问题在校稿清样时已经不能再矫正，系统上不能更改作者贡献声明，我给编辑部发去了一封E-mail希望能亡羊补牢，纠正错误。以后在投稿时在这种关键性的声明上一定要一丝不苟，不能为了尽快提交稿件而出错，导致本末倒置。
在撰写成果报道时，我也犯下一些低级错误，在此记录以免今后重蹈覆辙。首先我对成果报道理解有些问题，没有在有限的篇幅中把握住关键点，重要的故事没有讲，结果不重要的地方浪费了笔墨，最终老师完全重写了报道，才生动而简明扼要地讲出了成果的故事。仔细体会了老师写作的成果介绍，发现自己对科学观点的认识高度远远不够。应该只抓重要的部分，有些内容可以不写，别人有兴趣的话会去下载论文。由此看来，我的写作功底还有待提高，文笔还有很大的提升空间。文章的发表不代表自己对科学问题理解就到位了，自己应该时刻虚心学习，不断加深对科学问题的认识，学会清楚地表达，抓住主要矛盾。诸如标点符号、格式、错字等低级的错误一定不要有。成果报道是科普性质的介绍，要讲最关键的故事，忽略不重要的细节。
总结一下本工作从开始一直到录用的科研心得：首先，最最重要的是寻找课题，这是最艰难的部分，非常幸运，能够得到孙老师交给我的这个仿生结构的课题；其次，感谢孙老师对我一直细致入微的指导，从一开始，孙老师就一直鼓励我超越自然，最后在不断的尝试下，终于达成这个目的。然后我的第二篇文章是在第一篇文章的基础上，做了仿生结构的低速冲击响应，这也得益于孙老师的指引。从我刚开展这个大课题的时候，孙老师已经告诉我，一定要研究各种荷载，各种边界条件，静态动态都要研究。还有一些反省，不管是研究过程还是写作，一定要快，先下手为强，虽然两篇文章前后都录用，我的速度还是太慢了，希望师弟师妹们引以为戒，要尽快出成果。最后再次感谢整个研究过程中，孙老师对我持续的鼓舞，不管是最开始出现了失败的结果，还是后来有一些小成绩的时候，孙老师总是在鼓励我、支持我的研究，告诉我一定可以成功。能在精神上得到鼓舞往往是最重要的，这让我时刻保持动力，有信心做出成果。
最后，我要牢记孙老师归纳出的“科研十条”，时刻问自己有没有按照“科研十条”开展工作：
1、加强基础理论修养公式一定要自己推导，边干边学要带着问题学习及时弥补自己知识结构；
2、从第一原理出发要设想如果问题是你第一个研究应当怎么做；
3、思路开阔要有不同维度和层次的联想思维；
4、目光高远要敢于越过历代权威的工作努力创新；
5、要有的放肆抓大放小抓主要放次要集中力量解决要害的问题；
6、要追根求源尽力了解课题的发展历史；
7、要尽量多掌握科研需要的各种工具包括软件使用和实验设备使用；
8、要按照课题本身的逻辑发展不断提出新问题把研究推向前进；
9、每项研究都要有理论、数值模拟和实验的相互验证并及时总结写成论文发表；
10、要时时刻刻思考如何把科研成果形成核心技术转化成专利并设想可能的应用场景。
原文链接：
1.https://doi.org/10.1088/1748-3190/ac9fb2
2.https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2022.104430
媒体报道：
https://mp.weixin.qq.com/s/NjKvgk5jC_0ROw5HK52vFQ
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