下一个设计的边疆？分层结构

“像人类发薄”是一个粗略的类比，表明小事的简单性。但随着生物学家知道，当你仔细看看时，人的头发是简单的。

头发是用蛋白质 - 角蛋白精确 - 而且像许多人一样奇妙的策略性质，这是如何阵列的这种蛋白质，这使得头发成为其性能能力，使其尽可能薄。角蛋白首先在右手螺旋中缠绕，然后在两件左手线圈中编织，然后捆绑并护套进入微纤维。这种捆绑在一起，只有几次毛发达到180微米的最终宽度（0.00067至0.00709英寸）。即使是头发的外涂层，角质层也是复杂的，并且由许多骨覆盖部分制成。

头发是一个复杂的相互关联部分系统，解决了跨长度尺度的功能挑战。这是一种称为层次结构，可节省材料和使其所需的能量。另一个例子是骨骼，它与钢一样强，但由于其复杂的层次结构，以及其他事情，在其他事情中，抵抗至少五种不同的策略在尽可能多的尺度上抵抗开裂。

自然等级系统分享了一些常见的特征值得仿真：他们使用一些组件（如角蛋白），在不同材料之间的控制方向中制作各种不同的结构，在不同材料之间耐用接口。它们对水依赖或敏感，并用良性化学制作。它们的性质和性能可以响应环境而有所不同。这些复杂的受控形状是有弹性的，并且通常能够自行修复。

技术中的分层结构

分层结构本质上很常见，但复制技术中这些部件的集成并不容易。人类具有一些值得注意的但简单的宏观示例，例如电缆悬架桥，像带径向轮胎的复合材料，以及包括埃菲尔铁塔或测地圆顶的建筑物。发现非常小及其过程的进展以及制造方法，在我们的范围内置于更多复杂的版本。以下是在材料的机制上进行了两个重要研究的例子，以提供这些版本。

1.哈佛横向支撑研究

Joanna Aizenberg博士和她的同事在哈佛大学在2005年被尖锐的2005年中研究了海绵欧洲海绵欧洲海绵的圆柱内骨架科学物品已成为这种工作的模型。这些调查人员指出，金星花篮达到了七层结构强化，在生长其二氧化硅骨架方面。生物体沉淀出海水中的二氧化硅，并将该二氧化硅形成为以同心层排列的纳米球，并与有机层交替。这些捆绑到棒中;这些杆又向复合梁和形成在微米级的笼状支柱中的这些梁。然后将这些支柱排列在具有对角线横梁的方形格子中的宏观上。

令人愉快的是，交叉支撑其他方形的方法，从而实现不含多重重量的所需加强件是基于结构工程计算的工程师练习的恰好。实际上，这种交叉支撑方法可以在伦敦的圣玛丽斧（以前是瑞士RE塔和非正式称为黄褐色）的建筑物上观察到这种交叉支撑方法。在另一种优化的形式中，棒中的晶体和有机材料的层状不等于。如果需要抗裂性，朝向外部，二氧化硅层薄，并且需要拉伸压缩强度，在核心，层较厚。

Aizenberg继续调查复杂的结构她的实验室在哈佛大学工程学院和应用科学，她是材料科学，化学和化学生物学教授，以及Kavli Bionano科学技术研究所主任。

只有一个调查线是自适应混合架构（材料）的一行，其中复合系统可以成功地弥合材料和尺度之间的差异。目标是使环境条件自身激活的响应和自适应机制，我在口号下面写的东西“免费冲浪。“

在一个项目设计原则的解释中，该实验室已经耦合了一系列环境提示，例如湿度和光强度，包括一组结构元件，包括分层系统。这种耦合理论上，产生“自适应，综合响应系统”。

2.对“产物”的研究

在Markus Buehler在MIT的民间和环境工程系中的原子和分子机械师（LAMM）实验室的实验室，工程师参与了所有种类的结构失败，即生物材料。在了解这些等级系统的失败方式以及为何时，他们希望发现新的方法可以从廉价材料中制作复杂的新结构。

Buehler博士对这些自然系统的跨尺度和跨材料特性特别感兴趣，并且甚至为他的实验室研究这些多方面现象的新短语创造了新的短语：“产物”。通过使用系统实验，理论或计算方法，通过使用系统实验或计算方法将实验室为“通过检查多个尺度的过程，结构和性质之间的基本环节来定义实验室作为”天然和合成材料的材料特性的研究。“

该实验室通过将所有相关尺度从纳米到宏观掺入材料和结构的合成和功能，研究了材料的过程，结构和性质从基本，系统的角度来看。因此，通过一些复杂的计算机建模，它在所有尺度上获得了这些相互作用的综合图。

实验室检查各种蛋白质，从蜘蛛丝的那些肌腱，骨骼，头发和牙齿。与生物学家不同，科学家正在使用适用于非常小的土木工程和建筑的方法和意图来检查这些生活材料。它们已将这些蛋白质分成三组基本结构构建块，并仔细研究这些块的粘合方式。

使用它们的多尺度建模和确认测试，它们能够从分子到组织量表中键入胶原蛋白的结构和机械性能。例如，它们已经发现，胶原蛋白的长度保持在200至400纳米的最大强度，这解释了为什么只看到这种长度的胶原蛋白组织。胶原材料，如骨，通常在应力下，胶原蛋白为生物体提供机械稳定性，弹性和强度。例如，肌腱主要来自胶原蛋白。

它们也能够发现蜘蛛网不仅归因于丝线的最终强度，也欠了丝线的最终强度，而是从非线性响应到网络的几何形状内的应力和对准。丝纳米晶体是堆叠布置，每个层沿不同方向拨号。它们通过弱氢键在一起，该氢键在堆叠中起作用以抵抗外力。弱粘合的阵列具有改革容易破裂的能力，并减慢失效速度。此外，该组发现纳米晶体的尺寸对性能至关重要;测试的较大晶体失败了灾难性。

调查结果的含义

在Aizenberg和Buehler实验室所做的发现对从生物医学设备到建筑物的所有物质和结构开发具有广泛的影响。他们调查这些现象的方式也对我们如何考虑设计的影响也有影响。

了解这些生物系统的结构并能够预测其性能能力不能通过检查分离的组成部分来完成。需要综合评估来跨尺度测试过程，结构和属性。复杂的问题有时需要复杂的解决方案，并且了解这些问题有时需要复杂的模型。

未来，我不相信建筑师，工程师和工业设计师将设计静态物体和服务。相反，它们将分析条件，弄清楚如何操纵这些条件，然后设计结构以适应和响应（并且可能会随着）那些已经创建的条件或那些的结构。它将更像园艺而不是房屋建设，但它将基于系统，物理和生物科学的技术知识。

头发照片非洲工作室通过Shutterstock.