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拓扑优化揭秘植物内部构造

 

近日,谢亿民院士团队研究了多种水生植物神奇的内部构造(图1)。他们通过团队自主研发的跨学科的拓扑优化方法,揭示了这些微观结构背后的生物力学机理。


自然界中那些奇特的结构图案,诸如螺旋、分形、棋盘布局等,在过去的几百年间令无数科学家和设计师为之着迷,引发了一系列重要的思考与探索。生长在同一片水域的植物,它们的植株却有着迥然不同的截面形状与螺旋形态。更有意思的是,植株的内部以某种独特的规律排布着奇妙的通气组织。谢亿民院士团队近日发表在固体力学顶级期刊《固体力学与物理学报》(Journal of the Mechanics and Physics of Solids)的论文对此现象进行了深入的研究,揭示了此类生物的材料属性、几何结构、力学性能、生物学功能之间的内在联系。


过去,对于那些具有多级构造的天然材料,人们只能依靠直觉作出定性的分析。近年来,随着超级计算机的问世,云计算、计算机辅助设计技术的迅速发展,十亿节点量级的超高分辨率的计算形态生成已成为现实,这为天然生物材料形态细节的定量分析提供了一个前所未有的平台。


谢亿民院士团队在其首创的双向渐进结构优化(Bi-directional Evolutionary Structural Optimization, BESO)技术的基础上,采用大规模并行处理的计算策略,研发出跨学科的生物力学形态生成方法,系统分析了植物截面几何、分级结构、边界条件、生物学约束、材料属性等因素对其通气组织最优拓扑结构的影响(图2)。


研究团队在实验观测与计算机模拟的基础上发现,水生植物通气组织的独特构造是其生物学需求与力学性能综合优化的体现。一方面,植物依靠内部多孔的通气组织进行气体交换与营养输运;另一方面,经过了漫长的进化演变,植物薄壁细胞的分布已然十分合理,它们的特征尺寸、几何形状与植株的宏观形态相协调,在特定的生物力学条件下利用有限的材料将结构的承载能力最大化。


此外,研究团队在黑三棱、野慈姑、水葱等植物内部观察到了泰森多边形棋盘布局(Voronoi tessellations)。早在17世纪中叶,法国数学家笛卡尔就开展了关于此类布局的研究。多边形棋盘布局在天然生物系统中广泛存在,比如骨的微结构、细胞群的排列等。研究团队在这项工作中首次揭示了此类布局模式的生物力学意义。


可以预见,这项成果将在高性能先进材料与结构仿生设计领域、超高分辨率生物力学计算形态生成领域产生重要影响。
另外,该研究成果与技术对建筑设计有着重要的实际应用价值。感兴趣的读者请阅读清华大学徐卫国教授的最新专著《生物形态的建筑数字图解》。


该研究课题经谢亿民院士悉心指导,由赵子龙博士完成主要工作,并获得周世伟博士的协助和清华大学冯西桥教授的指导。


论文原文信息如下:
Zi-Long Zhao, Shiwei Zhou, Xi-Qiao Feng, Yi Min Xie, ‘On the internal architecture of emergent plants’, Journal of the Mechanics and Physics of Solids 119, 224–239, 2018.

论文链接如下:
https://authors.elsevier.com/c/1XLaO57ZjpOs9

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