导读：松果鳞片在低湿度环境下会张开散播种子，而在潮湿环境下则会闭合以保护种子免受潮气侵蚀。具有相同特性的合成材料有望应用于诸如湿度响应型被动冷却瓦片等领域。
2026年8月19日，来自麻省理工学院的研究人员现在开发出一种数学框架，可以简化松果仿生材料的设计过程。数学框架描述了自然系统中不同长度尺度上的机制（例如松果内部的细胞、纤维和组织）如何协同作用以实现独特的性能。然后，它将这种行为形式化地转化为工程系统中的行为。这一框架将生物行为组织成可用于设计合成结构的构建模块，这些合成结构可以通过数学验证以相同的方式执行，并使用 3D 打印机进行制造。
相关研究以题为“A category-theoretic framework from biological
mechanics to engineered stimulus-response
systems/从生物力学到工程刺激-反应系统的范畴论框架”的论文发表在《固体力学与物理学杂志》（Journal of the
Mechanics and Physics of Solids）期刊上。论文的共同作者包括通讯作者马库斯·布勒（Markus
Buehler），他是土木与环境工程系和机械工程系的杰里·麦卡菲工程学教授；乔埃莱·扎尔迪尼（Gioele
Zardini），他是土木与环境工程系的鲁奇和南希·艾伦助理教授，信息与决策系统实验室的首席研究员，以及数据、系统与社会研究所的附属教员；以及斯凯勒·蒂比特斯（Skylar
Tibbits），他是建筑系的副教授。这项研究部分得到了麻省理工学院莱梅尔森工程奖学金、新加坡国防科技研究院和麻省理工学院生成式人工智能影响联盟的支持。
通过大幅减少设计过程中的猜测成分，研究框架可以帮助工程师更轻松地开发新型自适应材料，同时缩短开发时间并避免因原型失败而造成的成本损失。未来，这一成果有望用于设计无需复杂电子元件即可自动响应环境的软体机器人抓手，或用于设计能够根据温度变化可预测地改变形状的飞机机翼变形结构。
麻省理工学院研究生、论文的第一作者李·马罗姆说道：“我一直对天然材料以及复杂的行为如何从非常简单的组成单元中涌现出来着迷。这项工作真正让我兴奋的是，它超越了仿生，达到了我们可以称之为‘生物衍生’的境界。我们不再仅仅观察某种独特的行为，而是要捕捉到实际产生这种行为的关系和机制，然后找到一种系统的方法，将它们转化为工程系统。”
生物组成单元
松果的鳞片会随着湿度的变化而开合，这是由于松果内部复杂的结构相互作用所致。湿度的变化会导致微观纤维素纤维发生变化，进而导致称为层片的较大纤维群发生变化，进而影响组织层，如此循环往复，直至我们看到的悬挂在树枝上的松果。马罗姆说道：“我们之所以选择松果作为框架的实例，是因为它提供了一个相对简单、易于理解的机制来演示框架的工作原理。但当我们将其应用于更复杂的系统时，它的价值就更大了。”
对工程师而言，挑战并非在于重现某个个体的行为，而在于将产生行为的机制和关系推广到不同的尺度上。如果没有明确的框架，这些关系就需要针对每个新系统重新构建。为了简化材料设计流程，麻省理工学院的研究人员创建了一个数学框架，能够捕捉自然物体中各个尺度上的组成部分如何协同工作以展现特定行为。数学框架贯穿整个设计过程，直至最终制造，将工程化的行为转化为经过验证的制造规范和用于3D打印物体的可执行代码。
△上图展示了松果的组成单元。从下往上依次为：“纤维；薄片；组织；元素；器官”。从松果到单根纤维：植物运动的结构层次。研究人员的框架提供了一种工具，可以将任何生物系统中的这种层级结构映射到多尺度数学描述中。
马罗姆说：“我们之前缺少的是一种将自然系统的数学描述与物理现实完全联系起来的方法。这个框架的目标是将整个链条明确化，以便我们能够推断出每一步必须保留哪些东西。”数学框架利用了范畴论的工具。范畴论是一种系统的方法，它能够以保证成功的方式将较小的系统组合成较大的系统。仿生材料系统运用范畴论，描绘了诸如湿度之类的刺激如何在松果等生物体的生物层级结构中引发反应。它将生物层级结构的每个层级建模为一个独立的构建模块，每个模块都经过独立验证。
然后，框架利用数学规则，从这些构建模块构建一个更大的系统，以确保层次结构中每个步骤之间都有有效的转换。它将自然系统中的每个组成部分都对应到一个合成的对应物。这样，工程材料就能保留导致自然生物体独特行为的刺激-反应相互作用。这项工作是对布勒实验室一项持续十多年的研究项目的延伸。
早期研究运用范畴论来描述层级材料，并确定在保持更高层级功能的同时，何时可以替换构建模块。在后续工作中，Buehler及其同事引入了“范畴原型法”，运用相同的数学原理，在将计算模型转化为大型3D打印原型时，保留选定的分子尺度力学特性。新的框架更进一步，将整个链条闭合起来，从多尺度生物力学，到工程实现和制造规范，再到实验验证的、机器可执行的设计。
布勒说道：“生物材料非凡的功能源于跨越不同尺度的关系，从分子和纤维层面的机制到整体结构。范畴论为我们提供了一种方法，使这些关系变得明确且可迁移。一旦这种设计逻辑被数学化，自然界就变成了一个可组合机制的库，这些机制可以被转化、重组，并在新的材料系统中得以实现。”
组成结构
马罗姆解释道：“一旦我们确定所构建的关系是有效的，我们就可以开始以新的方式重新组合它们。这意味着我们的框架不仅可以描述现有的系统，还可以帮助推断以前从未构建过的系统。”例如，工程师们将松果中湿度驱动的弯曲行为和麦芒中湿度驱动的扭曲行为分别绘制成独立的构建模块。然后，他们将两者的部分组成单元结合起来，设计并制造了一种新型致动器，无需任何新的设计工作即可展现出热扭转特性。测试表明，这种扭转致动器的性能符合研究人员的预期。
未来，工程师可以利用这一框架，可靠地将经过验证的组件组合成新的、仿生设计的自适应材料，应用于机器人、生物医学设备或可穿戴技术等领域。研究人员现已利用这一数学框架奠定了基础，可以应用于具有更复杂力学特性的物体。他们还计划将人工智能模型融入到研究流程中，以加快新型自适应材料的发现。
土木与环境工程系助理教授乔埃莱·扎尔迪尼表示：“可重复使用是实际的回报。我们框架的系统化使得您可以重复使用部分代码，而无需每次都从头开始，从而节省了大量的计算资源。这就是它在现实世界中的价值所在。”
来源：南极熊
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