受人體骨骼堅韌外層結構的啟發，普林斯頓大學的工程師開發了一種水泥基材料，其抗損傷能力是標準材料的 5.6 倍。與傳統的脆性水泥基材料不同，仿生設計使該材料能夠抵抗開裂並避免突然失效。

在一個新的文章在日記中先進材料，由土木與建築學助理教授 Reza Moini 領導的研究小組環境工程和 Shashank Gupta，三年級博士生。候選者證明，採用管狀結構的水泥漿可以顯著增加裂紋擴展的阻力，並提高變形能力而不會突然失效。

古普塔說：“脆性建築材料工程面臨的挑戰之一是它們會突然、災難性地失效。”

在建築和民用基礎設施中使用的脆性建築材料中，強度確保了承受載荷的能力，而韌性則支持結構中抗裂和損壞蔓延的能力。所提出的技術透過創造一種比傳統同類材料更堅韌的材料來解決這些問題，同時保持強度。

莫尼表示，改進的關鍵在於內部結構的有目的的設計，透過平衡裂紋前端的應力與整體機械響應。

「我們利用斷裂力學和統計力學的理論原理『透過設計』來改善材料的基本性能，」他說。

團隊的靈感來自於人類皮質骨，即人類股骨的緻密外殼，可提供強度並抵抗骨折。皮質骨由稱為骨的橢圓管狀成分組成，微弱地嵌入有機基質中。這種獨特的結構可以使骨頭周圍的裂縫偏轉。古普塔說，這可以防止突然失效並增加對裂縫擴展的整體抵抗力。

該團隊的仿生設計在水泥漿中加入了圓柱形和橢圓形管，與傳播的裂縫相互作用。

莫尼說：“人們預計，當採用空心管時，材料的抗裂性會降低。”“我們了解到，通過利用管的幾何形狀、尺寸、形狀和方向，我們可以促進裂紋與管的相互作用，從而在不犧牲另一種特性的情況下增強一種特性。”

研究小組發現，這種增強的裂紋-管相互作用引發了一種逐步增韌機制，其中裂紋首先被管捕獲，然後延遲擴展，導致每個相互作用和步驟都有額外的能量耗散。

古普塔說：“這種逐步機制的獨特之處在於，每次裂紋擴展都受到控制，從而防止突然的災難性故障。”「這種材料不會一次全部斷裂，而是能夠承受漸進的損壞，從而變得更加堅韌。」

與透過添加纖維或塑膠來增強水泥基材料的傳統方法不同，普林斯頓大學團隊的方法依賴幾何設計。透過操縱材料本身的結構，它們無需額外材料即可顯著提高韌性。

除了改善斷裂韌性研究人員引入了一種新方法來量化無序程度，這是設計的一個重要量。基於統計力學，該團隊引入了參數來量化建築材料的無序程度。這使得研究人員能夠創建一個反映架構無序程度的數值框架。

研究人員表示，新框架提供了材料排列的更準確表示，從有序到隨機的光譜，超越了週期性和非週期性的簡單二元分類。Moini 表示，該研究區分了混淆不規則性和擾動的方法與統計紊亂（例如 Voronoi 細分和擾動方法）。

「這種方法為我們提供了一個強大的工具來描述和設計具有客製化無序程度的材料，」莫尼說。“使用增材製造等先進製造方法可以進一步促進更無序和機械上有利的結構的設計，並允許擴大這些帶有混凝土的民用基礎設施組件的管狀設計。”

研究團隊最近還發達 技巧 允許使用機器人和增材製造實現高精度。透過將它們應用於新的建築以及管內硬質或軟質材料的組合，他們希望擴大建築材料應用的可能性。

「我們才剛開始探索可能性，」古普塔說。「有許多變數需要研究，例如將無序程度應用於材料中管的尺寸、形狀和方向。這些原理可以應用於其他脆性材料，以設計更耐損壞的結構。”