近日，手机百家乐网址大全 赵子龙教授、杨嘉陵教授及其合作者在生物材料学顶级期刊《Acta Biomaterialia》发表论文《Mechanics of elliptical interlocking sutures in biological interfaces》。他们针对生物互锁界面开展研究，将甲虫翅鞘的椭圆型骨缝结构作为研究对象，建立了可以精确预测结构拉拔与失效行为的力学模型，揭示了此类结构的强韧化与优化机理。

经过长期的演化，许多生物结构进化出了复杂而精巧的界面形貌。这些结构具有优异的力学性质，能够实现重要的生物功能。然而，它们独特形貌之下所蕴藏的强韧化与优化机理却仍是待解之谜。

图1 生物结构中的椭圆骨缝。（a）啄木鸟喙。（b）犀牛甲虫翅鞘。（c）乌龟甲壳。（d）瓢虫翅鞘。（e）鹦鹉螺甲壳。（f）铁甲虫翅鞘。

如图1所示，类椭圆型骨缝广泛存在于各类生物结构中。椭圆骨缝与其他类型的骨缝有较大差异。例如，椭圆骨缝在垂直于界面的方向上可以具有很强的互锁效应，这是正弦型等骨缝所不具备的特性。具有椭圆骨缝的铁甲虫可以承受高达自身重力39000倍的压力。然而，这其中的力学机理、椭圆型骨缝的力学优势等尚不清晰，有待进一步深入研究。

图2 椭圆型骨缝拉拔过程的力学理论分析。（a）阶段I。（b）阶段II。（c）—（e）分别为考虑不同摩擦系数、纵横比和联锁角时的力—位移关系和von Mises应力分布。

如图2a和2b所示，赵子龙等基于连续介质力学和接触力学建立了椭圆骨缝的拉拔力学理论模型。如图2c—2e所示，该模型可以精确预测出不同骨缝结构的变形和失效行为；理论预测的结果得到了有限元模拟和实验的验证。他们探讨了骨缝的纵横比、联锁角和界面摩擦等因素对结构承载能力、变形能力和失效机理的影响，揭示了其结构—性质之间的内在联系。

图3 椭圆骨缝的失效模式。（a）失效模式相图。（b）有限元计算结果。（c）实验测试结果。

图3对比分析了椭圆骨缝的失效模式。与圆骨缝相比，椭圆骨缝的失效机理更为复杂。当互锁程度较高时，椭圆骨缝更容易发生颈部失效（neck failure）；当互锁程度较低时，接触失效（contact failure）则更为常见。

图4 不同椭圆骨缝结构的力学性质。（a）—（c）比较了三类椭圆骨缝的拉拔力学响应。（d）—（f）比较了它们的刚度、强度和韧性。

图4比较了长椭圆、圆和扁椭圆骨缝的拉拔力学响应，并展示了这三类骨缝结构在刚度、强度和韧性等方面的差异。结果表明，扁椭圆骨缝在刚度、强度和韧性等方面优于其他两类骨缝；长椭圆骨缝在大联锁角下具有更好的变形能力。上述结果有助于理解为什么并非所有甲虫的翅鞘都进化为扁椭圆骨缝——长椭圆骨缝变形更加灵活，使甲虫能够更加容易地打开它们的翅鞘，进而实现飞行；对于不具备飞行能力的铁甲虫，翅鞘进化出扁椭圆骨缝，可以有效地提高结构的承载能力。

图5 椭圆骨缝的最优化形态。（a）和（b），在不同摩擦系数下，纵横比和联锁角对结构韧性的影响。（c）和（d），在最优纵横比、联锁角附近的结构刚度和强度。

图5预测了椭圆骨缝的最优化形态，给出了最佳的纵横比和联锁角。有趣的是，理论预测的最优化形态与自然界中甲虫鞘翅的真实形态非常接近。理论预测的优化形态可以使骨缝结构表现出综合优异的刚度、强度和韧性。这项工作揭示了生物界面中椭圆型骨缝结构的强韧化和优化机理，不仅加深了对生物材料结构—性质内在联系的理解，还为工程连接件、互锁结构，以及防护系统的仿生设计提供了理论基础。

论文第一作者为手机百家乐网址大全 邢运博士和杨璨硕士，北航为论文第一通讯单位。通讯作者为手机百家乐网址大全 赵子龙教授（个人主页：//shi.baccurl.com/zzl/zh_CN）和清华大学高华健院士。赵子龙是国家级青年人才、澳大利亚国家优秀青年人才、北航青年拔尖人才、国际著名SCI期刊《Eng. Fract. Mech.》编委、国自然基金委评审专家、教育部评审专家、航空航天与控制工程国际学术会议大会主席（2024）、应用力学与机械工程国际学术会议大会主席（2025）。他的主要研究方向是固体力学、生物力学和结构拓扑设计。高华健是国际力学、材料和工程科学领域顶级专家，为中国科学院、美国科学院、美国工程院、德国科学院等七院院士。论文合作者包括手机百家乐网址大全 杨嘉陵教授，以及清华大学冯西桥教授和孙书逸博士。论文原文链接如下，敬请关注：

//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1742706124007244。