折纸艺术曾启发工程师设计出可折叠的航天结构，伊斯兰几何图案曾为材料学家提供抗振骨架的灵感。凡是人类文化中出现过的几何形式，似乎都有可能成为新一代功能材料的结构源泉。但你是否想过，中华文明书写了数千年的文字，其形状也会成为高性能材料的设计蓝图？
4 月 21 日，爱丁堡大学（The University of Edinburgh）的研究人员在《应用物理学杂志》（Journal of Applied Physics）上发表了一篇颇为新颖的论文，他们将汉字“人”“大”“天”“夫”的字形转化为超材料的结构单元，并通过压缩实验探究其机械性能，最终发现，汉字中特有的弧线、横撇和方形框架中，蕴藏着可以为工程材料设计所用的力学规律。
机械超材料的底层逻辑：当“几何结构”决定物质命运
了解这项研究之前，我们有必要先知道“机械超材料”（Mechanical Metamaterials）这一概念。“超材料”一词源自希腊语，意指“超越物质本身”，它描述的是一类性能主要由其几何排列结构决定、而非单纯由化学组成决定的人工材料。
传统材料的力学特性，如强度、刚度、韧性，很大程度上取决于其原子组成和化学键合方式。超材料的设计逻辑则截然不同：通过在微观或介观尺度上对结构单元进行精心的几何设计并阵列化，工程师可以赋予材料自然界罕见的物理特性。例如，横向拉伸时不收缩反而膨胀的负泊松比（Auxetic）效应、超轻却拥有极高比强度的多孔结构等。
这种“结构即性能”的设计哲学，使得超材料的研究空间极为广阔。研究者们的核心任务之一便是寻找并探索新的几何形式，看看哪些形状和结构能带来工程师所需要的特殊力学行为。
藏在文化图腾里的力学密码
在这项爱丁堡大学的最新研究之前，从人类文化遗产中提取结构灵感的尝试已有先例。折纸艺术就是其中最广为人知的例子。日本折纸的几何折叠原理，尤其是“三浦折叠”（Miura-ori），因其特殊的机械双稳态效应，已被广泛应用于可重构超材料的设计，出现在航天展开结构、柔性电子器件以及软体机器人等场景中。
此外，来自伊朗卡拉甘双子陵塔（Kharraqan twin towers）的砖砌几何纹样，也曾被研究人员转化为双稳态辅助（auxetic）超材料的设计原型。事实上，早在工程师开始系统研究之前，古代工匠就已经将某些具有优良力学性质的几何排列应用于建筑装饰之中，让今天的人们依然能够从这些漫长实践智慧的积淀中寻找灵感。
为何选择汉字？论文的通讯作者、爱丁堡大学工程学院的帕尔维兹·阿拉姆（Parvez Alam）副教授解释道：“某些汉字具有强烈而独特的几何特征，从直觉上就‘感觉’到，它们有潜力展现出独特的力学性质和行为。”
从字形分析的角度来看，汉字具备几个在超材料设计中颇具价值的结构特质。
首先是曲线与弧度。 许多汉字的笔画含有弯曲成分，而曲线在力学结构中往往意味着特殊的柔韧性和能量分散路径。与直线笔画相比，曲线笔画会以不同方式响应外力，影响材料的整体刚度与变形模式。
其次，大量汉字还包含水平方向的笔画，这类结构在工程上相当于贯穿整体的“横梁”，可以有效地将集中载荷分散至周围结构。
初学汉字时，我们需要在田字格、米字格中反复练习，这正是因为汉字是典型的方块字，笔画被约束在离散的方格内，这意味着它们天然适合被转化为周期性超材料的基础网格单元。每个字都能整齐地填充一个方格，再通过重复排列，形成具有规则周期性的结构阵列。
把汉字放进压缩机，“天”字结构为何脱颖而出？
为了便于系统性对比，研究团队挑选了四个笔画简单且在结构上具有演进关系的汉字：“人”“大”“天”“夫”。
其中，“人”字形如一个向下张开的倒置“V”形，两笔撇捺从顶端向下方向外延展，构成一个锥形发散结构；“大”字在“人”字的基础上增加一横，将两条发散的笔画从中部横向连接；“天”字则在“大”字的顶部再增加一横，形成顶部也有横向连接的三层结构。最后的“夫”字与“天”字类似，但顶部横画稍短，且整体布局略有偏移，不与上方完全平齐。
研究团队通过增材制造（3D 打印）技术，将这些字形的对称单元制作成阵列超材料，并通过施加重载压缩，以经典的六边形蜂窝结构作为参照，系统测试其力学性能。
结果显示，这些“汉字材料”展现出了截然不同的压缩与变形规律。其中，由“人”字构成的超材料在受压时最先发生变形。研究指出，构件的曲率和倾斜角度是控制材料刚度与柔性的关键变量。
细而发散的构件更容易发生弯曲主导的变形，赋予材料较高的柔韧性；而较粗或更加垂直取向的构件则更能抵抗压缩，倾向于拉伸主导变形，提供更高的初始刚度。因此，像“人”字这样撇捺细长、向外发散且带有弧度的构件，在受力时往往会最先弯曲。
实验还发现，含有水平笔画的字形在压缩时表现出更强的稳定性。“大”字和“天”字中的横起到了交叉横梁的作用，使其在压缩时表现出更强的荷载分散能力，力不仅沿竖向传导，还通过横画被横向分散至相邻的结构单元，从而增强材料的稳定性，延缓了材料结构的整体坍塌失效。
横梁系统是提升结构整体稳定性的常用手段，而在汉字超材料中，横画数量的增加与材料抵抗失效能力的提升与经典结构工程原理高度吻合。
这项研究中最重大的发现，是“天”字型超材料展现出了压倒性的性能优势。数据显示，“天”字结构的模量和强度显著高于其他汉字设计，也超越了传统的六边形对照组。它不仅拥有最高的比强度和比刚度，甚至达到了高性能金属或刚性塑料泡沫的水平。
更深层的力学机制在于变形模式的转变。论文指出，大多数汉字结构在受力时表现出“弯曲主导”的强度特征，即结构容易发生屈曲，较为柔韧。而“天”字结构却展现出了罕见的“拉伸/压缩主导”强度。研究者推断，这是因为“天”字特有的双层横向支柱产生了相互作用，极大地抵抗了受载后的结构侧向位移。
此外，“夫”字与“天”字虽然相似，但由于顶部横画较短且有偏移，其力学表现就大相径庭。这也证实，超材料的性能对对称性等几何细节极其敏感。只做微小的参数调整，就会显著改变材料的变形模式与整体力学表现。
用工程学的视野重审人类文明结晶
这项研究从汉字超材料本身出发，揭示了一个极具启发性的设计方法论：几乎任何具有几何规律性的人类文化符号，都可能成为有效的超材料结构单元候选。
在数千个常用汉字中，“人、大、天、夫”只是沧海一粟。帕尔维兹强调，这只是“从众多潜在字符中提取的一滴水”。未来，孟加拉语字母、阿拉伯书法、印度梵文等其他人类书写符号，甚至各类装饰艺术中的几何图形，都有可能成为力学超材料的灵感源泉。
文字符号不只是语言的载体，也是特定文化对几何形式长期审美与实践选择的结晶。它们在漫长的历史演变中，经受了书写效率、视觉平衡的筛选，这些经过漫长时间检验的形式，或许在某种意义上也经历了一种非显式的"结构优化"。
从汉字实验中提炼出的规律，未来可直接应用于航空航天（轻质高强可编程材料）、生物医学（可控柔性植入物）以及防撞能量吸收系统等前沿工程领域。
值得注意的是，这项研究目前选取的四个汉字字形简单且相互关联，这在研究设计上便于变量控制与系统比较，但也意味着研究尚处于探索性阶段。
但阿拉姆在接受采访时特别强调了这项研究的跨学科意义。他表示，符号形式的运用“不仅在工程设计中有其价值，还应当激发另一种类型的学习兴趣”，并希望借此推动工程学、材料科学与历史学、文化研究之间更深入的交叉合作。
一篇从汉字中提炼力学规律的论文，出现在严肃的物理学期刊《应用物理学杂志》上，本身就是一件颇具象征意味的事情。它提醒我们，科学与文化从来不是两个相互隔绝的世界：前者追求普遍规律，后者积淀人类经验。最具创造力的结构灵感，或许正来自对人类已有知识体系的重新审视。
参考资料：
https://publishing.aip.org/publications/latest-content/what-can-chinese-characters-tell-us-about-designing-strong-materials/https://pubs.aip.org/aip/jap/article/139/15/155102/3387398/Mechanical-metamaterials-built-from-Chinese
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