“源自骨骼灵感” KAIST开发越用越强的新材料

by Jeong Ilwoong

Published 20 Feb.2025 07:48(KST)

骨骼在承受荷载时，会由血液中的矿物质合成并提高骨密度，从而变得更坚固，具有这样的特性。受这一原理启发，研究人员开发出一种仿生技术新材料，使用次数越多反而越坚硬。

KAIST表示，新材料工学系Kang Seonghun教授研究团队与约翰斯·霍普金斯大学、佐治亚理工学院联合开展研究，开发出基于同一原理的新材料，并于20日对外公布。

Kang Sunghoon 教授。KAIST 提供

联合研究团队注意到，在运动等身体活动中，当骨骼承受应力时，通过细胞作用形成矿物质并变得更坚固的特性，基于此开发出新材料。

为替代细胞作用，研究团队先制备了一种多孔压电（将力转换为电能的作用）基底，施加的力越大就会产生越多电荷，然后在其中加入与血液相似矿物成分的电解质，制成复合材料。此时，新材料在不依赖细胞作用的情况下，只要施加应力，就能自行合成矿物质，提高强度。

联合研究团队在对材料施加周期性载荷后，测量其物性变化，结果确认材料的刚性与能量耗散能力会随着应力频率和大小的增加而同步提升。

这种特性源于矿物质会随着反复施加的应力在多孔材料内部形成；当受到巨大外力时，矿物质结构被破坏并耗散能量，但再次施加应力时，矿物质又会重新形成，这一过程清晰可见。联合研究团队利用微型CT对内部结构进行成像，从而证明了新材料的特性。

联合研究团队开发的新材料与现有其他材料特性变化的对比资料。KAIST提供

与传统材料在反复使用中刚性和抗冲击能力逐渐下降不同，这种新材料在使用越多的情况下，刚性和抗冲击能力会同时提升，其优势尤为突出。

尤其是，这种材料的性能会与施加应力的大小和频率成正比而提高，因此可以根据结构物的用途，自主调节以获得合适的机械性能分布，并且还具备自我修复能力。

Kang Seonghun教授表示：“本次研究开发的新材料具有使用越多、刚性和抗冲击性能越好的特性，不仅可用于人工关节，还可在航空器、船舶、汽车以及各类结构物等多个领域得到应用。”

此外，本研究在韩国研究财团海外优秀科学家引进项目（Brain Pool Plus）的资助下，与约翰斯·霍普金斯大学极端材料研究所、佐治亚理工学院共同完成。

由通讯作者Kang Seonghun教授发表的本次研究成果，已刊登在本月出版的国际学术期刊《Science Advances》（第11卷第6期）上。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。