向自然借智慧——MIT赵选贺团队揭示“既强又韧”软材料三大设计原理

搁浅

向自然借智慧——MIT赵选贺团队揭示“既强又韧”软材料三大设计原理（DOI: 10.1073/pnas.1710942114）

从隐形眼镜到人工软骨，从柔性机器人到脑机接口，软材料正在重塑人类健康与技术的边界。然而，“软”往往意味着“弱”：传统水凝胶一掐就碎，强度不到骨骼的千分之一。MIT机械工程系赵选贺教授在《PNAS》发表的评论文章，首次把“既强又韧”这一看似矛盾的目标拆解成三条可落地的科学原理，并用实验验证了“缺一条就失败”的铁律。


一、把“软”做成“韧”：先学会“耗能”　
　裂纹扩展就像撕布，能量耗得越快，布就越难被撕开。赵选贺把总断裂韧性 Γ 拆成两项：　　Γ = Γ₀（本征）+ ΓD（耗散）　　其中 ΓD 才是软材料可以大做文章的变量。团队借鉴肌肉与蛛丝，在水凝胶中植入“可逆牺牲键”——受力时先断裂这些弱键，把机械能转成热能，主体网络得以保全。配合“高交联度长链互穿”设计，材料拉伸 20 倍后仍能回弹，滞回环面积（即耗散能）比传统水凝胶高两个数量级，为“韧”奠定第一块基石。

二、把“韧”做成“强”：让缺陷“失敏”　
　再韧的材料，一旦表面有划痕，强度也会指数级下降。赵选贺引入“缺陷不敏感长度” a_c = βΓ/W_c：只要把所有可能缺陷（气泡、杂质、微裂纹）的尺寸做到小于 a_c，强度就不再被缺陷牵着走。实验上，这意味着纤维直径必须≤百微米级。团队采用室温“干法拉丝”工艺，把多相自组装水凝胶一步拉成直径 50 µm 的超细纤维，天然过滤掉毫米级缺陷，强度瞬间从 0.3 MPa 飙升到 10 MPa 以上，却保持断裂韧性高于 1000 J m⁻²，实现缺陷不敏感。

三、把“强”做成“极致”：让链条“齐断”　
　理想情况下，如果所有高分子链同时被拉到极限并断裂，理论强度可达 1 GPa，堪比铝合金。真实网络因链长不均、缺陷众多，总是“短链先断、长链观望”。赵选贺提出“高功能交联”策略：在链段中嵌入二氧化硅纳米颗粒或微晶区，像“暗桩”一样储藏隐藏链长。拉伸时，短链把隐藏长度逐段拉出，最终所有链近乎同步达到极限，实现“齐步断”。同步断裂带来的强度跃升，让 100 kPa 级模量的水凝胶纤维释放出 10 MPa 以上的真实强度，比传统水凝胶高出 30 倍。

四、三条原理的“木桶效应”　
　团队设计了对照实验：　　1. 只耗能、不细径 → 纤维韧但缺陷敏感，一折就断；　　2. 只细径、不耗能 → 纤维脆如玻璃，拉伸 1.2 倍即断；　　3. 耗能+细径，但无高功能交联 → 韧度足，强度停在 3 MPa 平台。　　只有同时满足“高耗散、细直径、齐步断”三原则，纤维才能兼顾“韧性 > 1000 J m⁻² + 强度 > 10 MPa”，与自然蛛丝并驾齐驱。

五、从纤维到未来：软材料的新“合金时代”　　
赵选贺在文末提出四大开放问题：　　1. 抗疲劳：如何让材料在百万次循环后依旧“强韧”？　　2. 高黏附：能否像贻贝一样，水下也“粘得牢”？　　3. 低摩擦：人造软骨表面摩擦系数能否低于 0.001？　　4. 智响应：同一材料能否在光、热、电、磁下可编程改变强度？　　这些问题的答案，将决定软材料能否真正进入下一代柔性电子、人工肌肉、脑机接口乃至软体机器人核心。

结语　　
钢铁时代，人类学会了在晶界与位错中找强度；信息时代，我们在硅片与光刻里造智能；正在到来的“软时代”，MIT 的这项研究告诉我们：向自然借智慧，把能量耗散、缺陷控制与分子协同写进高分子网络，就能让“软”材料拥有“硬”实力。或许不久的将来，柔软的人工心脏、可折叠的离子芯片、自我愈合的软体机器人，都会在这三条原理的指引下，从实验室走向每个人的生活。