踮起中趾奔跑，這竟然能減震？

馬是奇蹄目動(dòng)物，只有一根單趾——馬蹄。但是幾千萬年前，馬的祖先——始祖馬可是有四根腳趾的。在演化過程中，為了獲得更高的奔跑效率，這四根腳趾外側(cè)的三根逐漸退化消失，僅保留了中間的那根腳趾（第三趾）。

芭蕾舞演員踮起腳尖起舞，而馬基本上相當(dāng)于“踮起中趾奔跑”。這根被視為“進(jìn)化奇跡”的單趾里，隱藏著大自然精妙絕倫的“手藝活”，讓馬的智慧以仿生的方式延續(xù)下來。

圖源：embryology.med.unsw.edu.au

01

馬蹄為什么被稱為“進(jìn)化奇跡”？

生物領(lǐng)域記錄到的自主產(chǎn)生的最快沖擊震動(dòng)，是螳螂蝦的棒狀物沖擊力，其速度達(dá)到23米/秒。疾馳的馬蹄撞擊地面的速度可以達(dá)到8米/秒以上。

在這種速度下，奔跑中馬蹄的沖擊力瞬間可達(dá)46～64N/kg。這相當(dāng)于一個(gè)20公斤重的實(shí)心物體，從膝蓋高度掉落砸中你的腳趾。換成人的話，腳早就廢了，但馬很少骨折，為什么？

要解開這個(gè)答案，我們首先需要了解馬蹄的結(jié)構(gòu)，甚至需要從看不見的微觀尺度去逐一“解剖”。

1.1

馬蹄結(jié)構(gòu)

蹄壁：位于最外層的硬邦邦的部位，主要由角蛋白構(gòu)成，這里就像我們的指甲，負(fù)責(zé)扛住主要壓力，所以常常需要在這個(gè)部位裝上“馬蹄鐵”。

蹄叉：位于中間那層軟軟的、有彈性的部位，像一個(gè)倒置的三角形，有助于抓握、牽引和將血液泵回腿部。

蹄底：位于最里層的一個(gè)凹陷結(jié)構(gòu)，比蹄壁要柔軟些，通常不直接承受重量。

冠骨：位于腳趾后面，周圍有軟組織提供緩沖。

蹄球：位于蹄叉的上方，由脂肪和纖維構(gòu)成，每走一步都會(huì)壓縮和膨脹，以吸收沖擊和保護(hù)內(nèi)部組織。

圖源：參考文獻(xiàn)2

圖源：參考文獻(xiàn)2

1.2

蹄壁結(jié)構(gòu)

馬蹄壁相當(dāng)于馬的“趾甲”，具有支撐作用，但在顯微鏡下卻是一種復(fù)雜的層級結(jié)構(gòu)。

圖源：參考文獻(xiàn)3

a：蹄壁

b：管狀結(jié)構(gòu)：直徑約40-100微米。呈現(xiàn)梯度變化，越靠近蹄壁內(nèi)側(cè)，剛性逐漸降低

c：髓腔：空心，位于管子中心，周圍環(huán)繞著硬質(zhì)管壁

d：螺旋狀層片：構(gòu)成管壁

e：薄片狀細(xì)胞：構(gòu)成層片

f：角蛋白中間絲：填充在薄片狀細(xì)胞內(nèi)部，呈晶體狀排列

g：單個(gè)角蛋白中間絲

馬蹄具備的這種從納米到宏觀尺度的復(fù)雜層級結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒍鄠€(gè)尺度上的抗沖擊策略整合起來，在此基礎(chǔ)上形成單元協(xié)作，增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，吸收沖擊、耗散能量并限制損傷，相當(dāng)于給馬安裝了一套“減震系統(tǒng)”。

02

“減震系統(tǒng)”如何發(fā)揮作用？

想象一下，一匹馬在奔跑中馬蹄落地的瞬間，巨大的能量不會(huì)直接沖擊震蕩，而是被馬蹄的“減震”系統(tǒng)在多個(gè)尺度上協(xié)同化解。

2.1

馬蹄壁：分散與耗能

當(dāng)馬蹄的外部沖擊力較低時(shí)，沖擊能量率先在蹄壁中被分散與耗散。

蹄壁內(nèi)部呈規(guī)律狀排列的管狀結(jié)構(gòu)，像一堵結(jié)實(shí)的“路障墻”，受到?jīng)_擊會(huì)形成細(xì)小的裂紋，而在“路障墻”的阻攔下這些裂紋會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而將這股沖擊力分散。

SEM（掃描電鏡）中觀察到的裂紋偏轉(zhuǎn)（圖源：參考文獻(xiàn)3）

不僅如此，這些“管子”從硬到軟的排列特性，造成了材料界面的不穩(wěn)定性，可以防止“管子”在某一點(diǎn)突然斷裂。

而“管子”的空心髓腔，則會(huì)通過自身的彈性變形，進(jìn)一步吸收和耗散能量。螺旋狀層片彼此之間會(huì)產(chǎn)生微小的滑移和錯(cuò)動(dòng)，以此來消耗掉部分沖擊能量。這就像書本摞在一起會(huì)發(fā)生層間錯(cuò)位，以此來分散壓力。

除此之外，構(gòu)成蹄壁的角蛋白，就像一塊含水的海綿——靠水分和層層纖維，把一瞬間的撞擊悄悄"吸"走。這種特性在材料科學(xué)上稱為黏彈性：它不像彈簧那樣把能量原封不動(dòng)彈回去，而是在分子和細(xì)胞兩個(gè)層面上，把沖擊能量緩慢轉(zhuǎn)化為熱量散掉。

至此，蹄壁通過以上這些機(jī)制，已經(jīng)足以承擔(dān)大部分的耗能任務(wù)。不過，當(dāng)受到的沖擊力較強(qiáng)時(shí)，馬蹄的其他組織也會(huì)加入?yún)f(xié)同作戰(zhàn)。

2.2

其他組織：緩沖吸能

蹄叉倒三角形的柔軟結(jié)構(gòu)能夠變形，吸收沖擊能量。同時(shí)，蹄叉增加了與地面的接觸面積，提供了額外的抓地力和穩(wěn)定性。

蹄球則像海綿一樣把沖擊能量“吃”進(jìn)去，又迅速回彈重復(fù)，既吸收了能量，還能像泵一樣擠壓血管，促進(jìn)局部血液循環(huán)，一舉兩得。

最深處的蹄底與冠骨周圍軟組織則承擔(dān)起保護(hù)骨骼關(guān)節(jié)的最終角色。它們就像給骨頭穿上一層減震凝膠，確保傳遞到骨骼關(guān)節(jié)的力始終在安全范圍內(nèi)，從而避免骨折。

總之，馬蹄的整個(gè)抗沖擊過程，是一個(gè)從納米到宏觀尺度的精妙的協(xié)同系統(tǒng)。它遵循“多尺度協(xié)同耗能”的策略，將致命的瞬間沖擊轉(zhuǎn)化為多層材料的彈性形變、黏彈性耗能和裂紋偏轉(zhuǎn)，從而將力量逐步耗散。這不僅是生物演化的奇跡，也為人類設(shè)計(jì)抗沖擊材料提供了頂級靈感。

03

馬蹄的智慧，能用在哪里？

仿生學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了一段“進(jìn)化之路”——從早期的“照貓畫虎”，升級為今天的“學(xué)貓捉鼠”。早期的仿生，以構(gòu)型仿生為主，即依賴于對生物形態(tài)的模仿?，F(xiàn)如今，科學(xué)家們轉(zhuǎn)向從生物功能本源出發(fā)，通過深度解析生物系統(tǒng)的作用機(jī)制和原理, 直接提取功能性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

明式家具的馬蹄腿造型（圖源：上海博物館）

早期的馬蹄仿生更多停留在‘形似’，而現(xiàn)代仿生學(xué)則更進(jìn)一步，追求‘神似’——即對生物力學(xué)原理的深度復(fù)刻。現(xiàn)在，馬蹄的智慧正以不同的方式，在各個(gè)領(lǐng)域“落地開花”。

3.1

新型材料制備

出于不同的現(xiàn)實(shí)需求，科學(xué)家們選取了不同的仿生切入點(diǎn)。其中最直接的一個(gè)問題是：如何將馬蹄結(jié)構(gòu)完美復(fù)刻，開發(fā)出一種新型材料？

科學(xué)家們仿照馬蹄蹄壁的層級結(jié)構(gòu)，開發(fā)出了一種新型仿生蜂窩結(jié)構(gòu)材料。這種材料在受到劇烈沖擊時(shí)，管狀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生預(yù)設(shè)的形變和相互摩擦，吸收掉絕大部分能量。

與傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)相比，馬蹄形蜂窩結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度提高了43.8%。它比傳統(tǒng)的鋁蜂窩材料更輕、更抗壓，未來可用于航天器著陸支架或高性能賽車保險(xiǎn)杠。

仿生蜂窩結(jié)構(gòu)材料（圖源：參考文獻(xiàn)4）

此外，馬蹄也啟發(fā)了傳感器領(lǐng)域的一項(xiàng)突破。氣凝膠不僅是傳感器的封裝材料，也是傳感器的核心敏感層。但傳統(tǒng)柔性傳感器往往面臨“高靈敏度則量程窄，寬量程則靈敏度低”的權(quán)衡問題。

東華大學(xué)通過研究模仿馬蹄的剛度梯度特性，成功制備出一種聚酰亞胺納米纖維/碳納米管雙梯度氣凝膠——頂部大孔區(qū)極易變形，負(fù)責(zé)捕捉微小壓力，提供高靈敏度；底部小孔區(qū)剛性較強(qiáng)，負(fù)責(zé)承載大壓力，提供寬量程。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從柔性到剛性的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變，巧妙解決了靈敏度和量程之間的固有矛盾。

雙梯度納米纖維氣凝膠的仿生設(shè)計(jì)與應(yīng)用（圖源：參考文獻(xiàn)5）

(a) 馬蹄及其梯度結(jié)構(gòu)

(b) PINF@CNTs雙梯度氣凝膠制備流程圖

(c) 氣凝膠在航天服中用于極端環(huán)境下健康監(jiān)測與隔熱的應(yīng)用示意圖

除了直接制備新材料，科學(xué)家們還嘗試應(yīng)用增材制造技術(shù)（3D打?。疡R蹄的“層級結(jié)構(gòu)”打印出來。3D打印與仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)合，近年來也越來越受到關(guān)注。

來自澳大利亞國立大學(xué)、美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的科學(xué)家們，仿照馬蹄壁結(jié)構(gòu)，用增材制造技術(shù)（3D打?。╅_發(fā)出了兩種不同的復(fù)合結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了馬蹄壁仿生材料的設(shè)計(jì)，能夠有效增強(qiáng)能量吸收和裂紋控制，顯著提升了材料的抗拉伸性能。

3.2

機(jī)器人設(shè)計(jì)

馬蹄仿生技術(shù)還為足式機(jī)器人提供了一個(gè)“智能減震器”的解決方案，幫助它們在復(fù)雜多變的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定、更節(jié)能的運(yùn)動(dòng)，讓機(jī)器人的“奔跑”更接近自然界的靈動(dòng)與力量。

山東理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種馬蹄型仿生足，它采用金屬蹄靴提供骨骼般的支撐，并集成橡膠蹄球來模擬生物的吸能緩沖機(jī)制。

實(shí)驗(yàn)證明，這種仿生足能顯著降低機(jī)器人在硬質(zhì)路面行走時(shí)的觸地沖擊力，同時(shí)利用馬蹄特有的幾何構(gòu)型，有效增加了在沙地等松軟介質(zhì)上的抓地力和防陷能力。

山東理工大學(xué)設(shè)計(jì)的馬蹄型仿生足（圖源：參考文獻(xiàn)2）

廈門大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種能夠在復(fù)雜路線上穩(wěn)定行走的馬蹄形足端感知機(jī)器人，其中足端部分就是從馬蹄的形態(tài)與彈性緩沖機(jī)制中提取仿生靈感。

其足端設(shè)計(jì)包括足體和彈性結(jié)構(gòu)部分，足體的底部輪廓設(shè)計(jì)成近似橢圓狀的仿馬蹄形結(jié)構(gòu)，并用彈性結(jié)構(gòu)包覆住足體的底部，形成了“剛性負(fù)載+彈性外層”的復(fù)合結(jié)構(gòu)，是一種從馬蹄形態(tài)到功能的仿生設(shè)計(jì)。

圖源：參考文獻(xiàn)8

這些研究的突破，使得馬蹄的仿生應(yīng)用也正在向防護(hù)裝備、航空航天防撞結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域不斷延伸……

04

馬的第二次奔跑

馬用5600萬年演化的“方案”，正成為現(xiàn)代工程的“頂級題庫”。除了馬蹄之外，馬身上能夠“抄作業(yè)”的地方還有很多。

馬的接近360度全景視覺啟發(fā)了車載環(huán)視系統(tǒng)；其呼吸與奔跑的節(jié)奏耦合，展示了能量利用的極致經(jīng)濟(jì)性；而馬腿的骨骼肌腱布局，更成為波士頓動(dòng)力等頂尖機(jī)器人設(shè)計(jì)的力學(xué)教科書。

馬的視野只有幾乎4度的盲區(qū)（圖源：上?？萍拣^）

這些技術(shù)聽起來挺雜，但背后有共同點(diǎn)。當(dāng)我們將目光從單一的“馬蹄支撐”拓展到馬的視覺、呼吸、運(yùn)動(dòng)控制等多重系統(tǒng)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)真正值得學(xué)習(xí)的不是某個(gè)孤立的結(jié)構(gòu)，而是生物體如何用最經(jīng)濟(jì)的材料、最簡潔的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化——這就是仿生學(xué)從“模仿形態(tài)”走向“理解原理”的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變。

馬的第一次奔跑，用四蹄征服了草原；第二次奔跑，用智慧啟示著未來，引領(lǐng)人類向更遙遠(yuǎn)的邊界進(jìn)發(fā)。

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來源：上?？萍拣^

編輯：子木

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