制造更好的折叠手机的秘诀可能在于贻贝

折叠手机和 Nintendo 3DS 等掌上游戏机的功能取决于它们的铰链。这类设备的开合次数太多，铰链就会开始失效，这时你就会希望有一个更好的铰链。

事实上，动物界可能已经实现了这个愿望。灵感来源是双壳类动物：蛤蜊、牡蛎、鸟蛤、贻贝和一大堆其他双壳生物。在双壳类动物的一生中，它们的壳可以打开和关闭数十万次，似乎不会受到损坏。

现在，一个由生物学家和材料科学家组成的团队联手研究了一种特殊的双壳类动物——鸡冠珍珠贻贝。在今天发表在《科学》杂志上的论文中，他们不仅逆向设计了贻贝的铰链，还用玻璃纤维和其他现代材料重新制作了它。

这项研究的主角是鸡冠珍珠蚌，它分布在东北亚的淡水中。古代中国工匠在这种蚌壳中培育珍珠。打开蚌壳，放入一个小物体，比如珠子或小佛像，然后关上蚌壳，让它静置一年，之后他们就可以取回这个物体——现在它被一层彩虹色的珍珠母包裹着。

珍珠母，又称珍珠层，长期以来一直受到材料科学家的关注，不仅仅是因为它的美丽。虽然珍珠层是由一种叫做文石的易碎碳酸钙矿物制成的，但它的结构——文石“砖块”被蛋白质“砂浆”粘合在一起——赋予了这种物质令人难以置信的强度和弹性。

加州大学戴维斯分校的生物力学家 Rachel Crane 表示：“许多研究人员已经复制了其实体结构的各个方面，试图创造出坚硬、坚韧和坚固的材料”，但她并不是这篇新论文的作者。

[相关：这种新材料和钢一样坚固，但更轻]

在研究珍珠层的过程中，一些科学家不禁注意到了贻贝的铰链。尽管它同样是由易碎的霰石制成，但铰链既能弯曲又能伸展而不会断裂。“这种出色的表现给我们留下了深刻的印象，我们决定找出其根本原因，”中国科学技术大学材料科学家、论文作者之一俞书宏说。

早在 19 世纪，生物学家就已研究过铰链及其之间的差异，以便对双壳类物种进行分类。但他们当时没有技术来剥离这些活体关节的内部结构。不过，余和他的同事们提取了铰链，并在一系列显微镜和分析仪下对其进行了检查。

他们发现双壳贝的铰链由两个关键部分组成。第一个部分是铰链的核心：一个形状像纸扇的折叠部分。扇子的“肋骨”是一排微小的霰石丝，包裹在柔软的蛋白质垫中。第二部分是韧带，是扇子外缘的弹性层。

当铰链闭合时，蛋白质基质有助于保持金属丝笔直，防止它们弯曲和断裂。同时，外韧带吸收铰链展开时的张力。总之，这种结构使铰链特别坚固。

作者将从贻贝中提取的铰链放入一台机器中，反复用力打开和关闭它们。这测试了它们在长期反复压力下的威力。即使在 150 万次循环之后，作者也没有发现任何损坏的迹象。换句话说，如果贻贝每分钟打开和关闭一次贝壳，连续三年，它的铰链将保持完好无损。

这使得贻贝的铰链具有超强的抗疲劳性，工程师称之为“疲劳”。从螺母和螺栓到桥梁支撑，所有东西都会因反复使用而磨损，就像你最近跑完马拉松后腿可能会感到疲劳一样。而且，就像一双疲惫的腿一样，疲劳的部件更容易失效——造成严重的后果。“双壳贝铰链特别有趣，不仅因为它的抗疲劳性，还因为它的弯曲能力，”克雷恩说。

想象奇异的生物朋克门在不知疲倦的贻贝铰链背后打开和关闭，这确实很诱人。虽然这几乎肯定是不切实际的，但作者认为这些铰链可以启发人类设计出能够很好地满足我们目的的部件。

[相关：回收地球上最棘手的塑料之一现在变得更容易了]

事实上，受他们发现的结构的启发，余和他的同事们用玻璃纤维制作了自己的铰链，这些玻璃纤维像扇形肋条一样嵌入聚合物基质中。他们对人造铰链进行了测试，发现它像真正的有机制品一样坚固——而其他铰链，一个带有杂乱无章的玻璃纤维，另一个带有玻璃球，则开始断裂和开裂

Yu 表示，他们早期的研究成果并不适用于普通人类。但它表明，如果需要，我们可以制造出类似贻贝的弯曲形状。例如，如果手机设计师想要制造一款需要使用玻璃等易碎材料的折叠式触摸屏手机，该怎么办？

Yu 表示：“扇形区域启发的设计策略为解决这一挑战提供了一种有希望的方法。”他的团队现在计划研究这些软蛋白在铰链中的作用。

但进化和工程遵循不同的规则。模仿经过数百万年进化的材料并不容易。“生物结构中最精细的模式通常具有挑战性，而且复制成本高昂，”克兰说。