生物网络的最优弹性

加固弹性薄壳在我们日常生活中随处可见，从混凝土壳建筑到生物结构如节肢动物外骨骼或双子叶植物叶片的脉络网络。自然结构常通过进化和自然选择高度优化，由此引出了理解并应用其设计原理这一具有生物学和实用意义的问题。受植物叶片中分级组织的支架网络启发，本文对弯曲梁网络进行建模，以捕捉自然材料的离散与非均匀特性。利用自然资源约束下最大刚度的原理，我们表明最优离散梁网络可再现真实叶片脉络的结构特征。因此，除了高效输运水分和养分的能力外，脉络网络还利用相同的分级网状拓扑优化了叶片刚度。我们研究了最优力学网络的相空间，为弹性结构的构建提供具体指导。我们通过制造高效的、受生物启发的人工超材料来实现这些自然设计规则。