多孔结构材料在承载与抗冲击领域展现出巨大潜力，但是如何兼顾甚至是协同材料的强度与韧性一直是未解决的问题。强度表征材料抵抗形变与破坏的能力，韧性则反映其吸收能量与阻止裂纹扩展的特性。传统单一相结构或基于单一变形机制的拓扑构型难以同时协同平衡这两种属性，导致材料设计长期受限于强度与韧性之间的相互竞争关系。仿生学设计方法具有很好的借鉴作用。自然界中的生物材料，如贝壳、螳螂虾等材料，借助Bouligand螺旋结构等多级有序的拓扑排列，实现了优异的力学性能平衡。该类仿生结构通过引导裂纹偏转、增加断裂表面积等机制，显著增强了材料的韧性。另一方面，通过结合刚性与柔性组分材料，并利用界面处的能量耗散与裂纹路径调控，双相复合材料设计也被证明是协调强度与韧性的有效途径。
然而，当前研究仍存在明显局限性。一方面，现有仿生Bouligand结构大都集中于单一材料体系，其界面能量耗散尚未被充分利用；另一方面，双相材料设计虽能实现性能的宏观互补，但其与仿生拓扑构型的耦合机制尚未得到系统阐释。因此，如何将仿生结构设计与双相材料策略深度融合，已成为实现高强度与高韧性协同提升的前沿研究方向。
近日，武汉理工大学曹晓飞团队创新性融合了多种设计策略的协同机制，提出了一种双相设计与仿生Bouligand介观结构相结合的新型策略，为系统化解强度与韧性的矛盾关系提供了重要的理论启示与设计指引。通过引入显著的层间耦合、高效应力传递及裂纹扭曲扩展等机制，结构展现出优异的力学行为。文章发表在力学/机械领域TOP期刊《International Journal of Mechanical Sciences》，论文标题为“Biomimetic dual-phase Bouligand meso-structure with synergistic strength and toughness”。
研究团队提出了一种仿生双相Bouligand介观结构（BDBM），并通过实验与仿真相结合的方法，系统研究了该结构在准静态及动态载荷下的力学行为。研究重点考察了层间夹角与材料配比对结构力学性能的影响，具体包括应力-应变响应、峰值应力及能量吸收特性。此外，通过准静态三点弯曲试验与循环加载测试，进一步评估了该结构在不同载荷条件下的力学行为与耐久性。相关研究结果如图1至图3所示。仿生双相Bouligand介观结构（BDBM）通过多重能量耗散机制，包括显著的层间耦合、有效的应力传递、裂纹扭曲扩展、界面能量耗散以及跨相裂纹路径引导，实现了强度与韧性的协同提升。
在力学机制的深入分析的基础上，研究团队还面向实际防护工程应用开展了相关研究。基于设计出的新型结构材料，打印制备了一款刚柔并济的运动鞋垫，并测试了在跳绳与跑步模式下的人员防护效果。如图4所示，在跳绳运动模式下，使用BDBM鞋垫时电压信号幅值明显降低、脉冲宽度显著增加，表明冲击强度得到缓解，作用时间更为平缓，从而有效提升了对运动员的冲击保护效果。类似地，在跑步模式下亦观察到一致的信号变化趋势，进一步验证了该结构在人员动态防护方面的优越性能。
该研究提出了一种协同兼具强度与韧性的新型仿生Bouligand介观结构材料。通过实验、模拟及应用验证，系统研究了其力学响应及内在机制。这些发现不仅为新一代仿生结构材料的设计策略创新发展提供了重要启示，同时也为刚性与柔性防护的结合提供了有效解决方案。
原始文献：
HM Yang, XF Cao, YT Guan, XR Zheng, FP Qin, L Yang, Y Zhang. (2025). Biomimetic dual-phase Bouligand meso-structure with synergistic strength and toughness. International Journal of Mechanical Sciences, 307, 110916.
原文链接：
https:///10.1016/j.ijmecsci.2025.110916