节录：缝合线结构在生物系统中大量存在，并引起正常关心。辩论词，现时商量大多鸠合于对缝合线结构特征的相识，而很少探讨生物材料中的缝合线结构是否代表着最优的拓扑设想。为了揭开这一谜团，该商量对当然界中发现的缝合线结构进行了回来，并通过几个要害的几何参数来描述它们的阵势。通过构建缝合线结构的解析模子和有限元模子，商量了生物材料中缝合线结构的刚度、强度和阻尼能量耗散特色，并诈欺遗传算法（GA）在静态拉伸和剪切载荷以及动态单轴载荷下对缝合阵势进行了优化。商量后果标明，在静态载荷下，具有互相锁合特征的缝合线结构展现出优异的刚度和强度；而在动态载荷下，能量耗散性能则由外部激发频率和缝合线阵势共同决定。商量发现，典型生物材料中的缝合线阵势进化成了简略完满特定最优机械性能的最优阵势。此外中国 肛交，遗传算法为具有多规画的设想提供了表率，简略设想出均衡多种机械性能的缝合线结构。

一.小序

缝合线结构在生物系统中正常存在，举例龟壳、种皮、鲈鱼、甲虫、马蹄蟹和菊石等。与平坦界面比拟，生物材料中的缝合线结构简略增强软硬材料商议的机械性能，进展为高刚度、高强度、高韧性和高能量耗散。现在，对于缝合线结构的商量主要鸠合在相识其特征上，而对生物材料中缝合线结构是否为最优拓扑设想的商量较少。现存商量主步伐受三角波或梯形波来简化缝合线结构，并假定软相层的“拉伸-剪切链”变形模式，从而分析其面内刚度和强度。辩论词，这些要害主要适用于一些浅显的缝合线结构，如三角波或梯形波缝合线结构，况且无法解释更复杂的几何格式和动态力学性能。

近日，《Composite Structure》期刊发表了一篇题为“Are sutural structures in biology the optimal topological design?”的商量论文，该商量由清华大学工程力学系和中国科学院力学商量所的商量团队完成。该商量旨在竖立简略描述各式生物缝合线结构的模子，并寻找静态和动态载荷下的优化缝合线结构，以相识生物系统中缝合界面的格式，并解释其背后的力学旨趣。

二.商量执行

商量东说念主员通过分析当然中存在的缝合线结构的特征，并通过竖立分析模子和有限元模子，商量了缝合线结构在生物材料中的刚度、强度和阻尼能量耗散特色。商量东说念主员开采了一个参数化模子来描述具有或不具有层级或互锁特征的缝合线结构，并将其简化为当然界中常见的缝合线结构阵势；其次，他们使用遗传算法 (GA) 在静态拉伸和剪切载荷以及动态单轴载荷下优化缝合阵势；接着，商量使用有限元要害 (FEM) 息争析要害分析了缝合线结构的力学性能，包括刚度、强度和阻尼能量耗散；终末，进行了多规画优化，以均衡缝合线结构的多种力学性能。

表1 生物材料中缝合线结构的界面阵势过头在λ1=2A1时的几何参数

图1（a） 缝合线结构的参数化模子。（b） k=1，λ1=2A1时缝合界面阵势的演变。（c） k=2，λ1=2A1时缝合界面阵势的演变。（d） k=3，λ1=2A1时缝合界面阵势的演变

图2 缝合线结构RVE的载荷和范围条款默示图

图3 均匀分散位移载荷下的缝合线结构默示图。（a） 软相中的范围条款和应力。（b） 拉伸载荷下界面体积单位的变形。（c） 剪切荷载作用下界面体积单位的变形

商量发现，具有互锁特征的缝合线结构在静态载荷下进展出优异的刚度和强度，而动态载荷下的能量耗散性能则受到外部激发频率和缝合阵势的共同影响。此外，典型生物材料中的缝合阵势与优化后果高度一致，标明生物体在演化经由中依然酿成了最优的缝合线结构设想。遗传算法为具有多规画的设想提供了表率，不错设想出均衡各式力学性能的缝合线结构，举例同期具有优异刚度和阻尼性能的结构。

图4 在固定网格中，给定宽度 g 的软相识别经由：(a) 莫得软相的网格。(b) 凭据阵势参数详情界面位置，软相宽度就是 0。界面两侧的标签辩别界说为 0 和 1。(c) 对每个元素应用滤波器，灵验滤波半径为 R。(d) 识别具有转换标签 ˆp 的软相元素。(e) 具有硬相和软相的网格，g = 2R。

图5 当k=1，2，3时，缝合线的抗拉刚度增强通盘。红点代表刚度最高的几何参数，左侧列出了相应的最好阵势。（a） RTM惩处决策；（b） r=3时的有限元求解。

该商量为相识生物体内缝合线结构的拓扑设想提供了新的视角，并讲明了它们如实是优化设想。此外，该商量还提供了生物启发的缝合线结构设想要害，不错应用于工程实施。举例，商量东说念主员不错诈欺GA设想出具有优异力学性能的复合材料，用于航空航天、汽车制造等限度。

表2 通过这两种要害计较出的最好阵势的位移u2和应变能分散

三.小结

该商量揭示了生物体内缝合线结构的优化设想原则，并讲明了其在不同载荷下优异的力学性能。静态载荷下，互锁特征的缝合线结构进展出高刚度和强度；动态载荷下，能量耗散性能则受外部激发频率和缝合阵势共同影响。典型生物材料中的缝合阵势与优化后果高度一致，阐发了生物体演化经由中酿成的最优设想。此外，遗传算法的应用为多规画设想提供了表率，可均衡缝合线结构的多种力学性能。

原始文件：

Wu， J.， Liu， B.中国 肛交， & Cui， Y. (2024). Are sutural structures in biology the optimal topological design? Composite Structures， 295， 118825.