综述：仿生建筑中的能量吸收创新：生物启发结构设计的进展

这篇综述系统探讨了仿生学（Biomimicry）在建筑工程中的应用，聚焦生物启发的结构设计如何通过多尺度层级组织（如甲虫鞘翅的蜂窝夹层、珍珠母的“砖-灰”结构）提升材料能量吸收性能。文章通过文献计量分析（1247篇论文）揭示了植物（竹材、棕榈）和动物（鱼类鳞片、海胆脊柱）原型对轻量化复合材料开发的启示，并指出3D打印（Additive Manufacturing）和功能梯度（Functionally Graded）技术是突破制造瓶颈的关键。

　　

生物启发结构设计的能量吸收革命

1. 引言

自然界中，竹材（Bamboo culm）通过功能梯度多胞管结构实现振动阻尼，甲虫（Beetle elytra）的轻质蜂窝夹层能抵抗23 N冲击力，而珍珠母（Nacre）的“砖-灰”层状结构使其断裂韧性远超均质材料。这些生物系统为建筑工程提供了创新蓝图，尤其在抗冲击材料（如防爆衬层、柔性外墙）领域。

2. 文献计量分析

2019-2024年的1247篇文献显示，中国（1400篇）、美国（254篇）和印度（342篇）主导该领域研究。高频术语“机械性能（Mechanical properties）”“能量吸收（Energy-absorption）”和“复合材料（Composites）”凸显研究焦点。例如，甲虫鞘翅启发夹芯板（BEP）比传统蜂窝板能量吸收提升115%，而竹材多胞管结构比单胞管单位质量吸能提高17%。

3. 生物系统设计理念

3.1 果实与坚果

巴西坚果（Bertholletia excelsa）果壳的三层纤维取向形成各向异性抗压结构（抗100 N力），柚子皮（Pomelo peel）的梯度泡沫结构可承受10米跌落冲击。仿生设计如聚醚醚酮（PEEK）多孔立方体通过3D打印实现类似能量耗散。

3.2 竹材

竹节处的内部隔膜和外部脊结构增强抗弯强度，其多级血管束分布启发 Zou 等人设计的多胞管吸能器，在轴向冲击下吸能效率提升1.6 kJ/kg。

3.3 甲虫鞘翅

日本甲虫前翅的柱状填充蜂窝结构（BMT）比传统设计抗压强度高34.5%，选择性激光熔化（SLM）制造的晶格结构吸能达9.328 kJ/kg。

3.4 珍珠母

通过仿生“砖-灰”结构，陶瓷复合材料抗冲击性提升2倍。Javan 团队开发的四曲面互锁混凝土砖，弯曲强度显著高于均质板材。

3.7 犰狳装甲

其六边形骨板（Osteoderms）通过胶原纤维连接，启发LAST装甲系统——Al₂O₃陶瓷瓦与弹性体叠层可抑制弹道裂纹扩展。

3.12 螳螂虾指节

螳螂虾（Odontodactylus scyllarus）的指节俱乐部（Dactyl club）结合Bouligand螺旋纤维与鲱鱼骨结构，在1.5 kN冲击下无损伤。3D打印的仿生复合材料吸能达1.20 J·m^-3，是单向纤维的3.4倍。

5. 挑战与展望

尽管生物启发材料在比强度（Specific strength）和韧性上表现优异，但规模化生产仍受限于多材料界面控制。未来需结合纳米技术（如纤维素纳米纤维增强）和数字光处理（DLP）打印，推动其在抗震建筑、军用装甲等领域的应用。

6. 结论

从竹材的梯度多胞结构到螳螂虾的螺旋纤维，生物系统为工程材料提供了高效的能量耗散策略。这些设计不仅优化了轻量化与抗冲击的平衡，更通过仿生制造技术（如TPMS三周期极小曲面核心）开辟了可持续建筑的新路径。