《Biomimetics》：Generative Design of 3D-Printed Biomimetic Interlocking Blocks Inspired by the Cellular 3D Puzzle Structure of the Walnut Shell
Alexandros Efstathiadis,
Ioanna Symeonidou,
Konstantinos Tsongas,
Emmanouil K. Tzimtzimis and
Dimitrios Tzetzis
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本研究针对传统互锁结构界面形态单一、缺乏系统性优化的问题，开展了基于核桃壳微观结构（sclereids）的仿生生成设计。通过Grasshopper/Galapagos算法优化凸起参数，结合FFF 3D打印与三点弯曲实验，证实增大接触面积可显著提升力学性能，为工程结构界面设计提供了新范式。
灵感源于坚果：当核桃壳的结构智慧遇见3D打印
在自然界中，核桃壳（Juglans regia）以其极佳的韧性保护着内部的种子。这种卓越的力学性能并非源于材料本身的强度，而是得益于其独特的微观结构——一种被称为“石细胞（sclereids）”的特殊细胞。这些细胞并非简单的堆积，而是像三维拼图一样，通过表面大量的凸起和凹陷相互咬合、紧密互锁。这种“表面互锁”机制极大地增加了接触面积，使得外力难以通过简单的滑移导致结构失效。在工程领域，互锁结构（如砌块、砖体）虽然应用广泛，但传统的设计往往依赖于经验性的几何形状，缺乏对界面形态的系统性优化。大多数研究关注的是宏观的榫卯结构，而像核桃壳这样利用微观表面拓扑来增强性能的“表面驱动型互锁”机制，在工程设计中尚属空白。此外，尽管生成设计（Generative Design）和仿生学（Biomimetics）各自发展迅速，但将生物的生长逻辑（形态发生）转化为可计算的参数，并通过算法进行优化和实验验证的研究仍不多见。因此，如何从核桃壳中提取设计规则，并利用现代计算工具将其转化为可制造的、高性能的工程结构，成为了本研究的核心驱动力。
关键技术方法
本研究建立了一套完整的“生物分析-计算模拟-实验验证”流程。首先通过扫描电镜（SEM）解析核桃壳的微观结构，提取其“三维拼图”式的互锁原理。随后，在Rhinoceros 3D的Grasshopper环境中，利用进化算法插件Galapagos，以最大化接触面积为“适应度（Fitness）”，对基础块体表面的凸起数量、高度等参数进行自动优化，生成仿生互锁块。物理原型采用熔融沉积成型（FFF）技术，使用PLA材料打印。力学性能评估通过面内和面外三点弯曲试验进行，并辅以ANSYS有限元分析（FEA）验证应力分布。
研究结果
核桃壳的形态学启示
微观观察显示，核桃壳由单一类型的石细胞构成，平均尺寸约为94.1 × 10 μm3。每个成熟细胞拥有约12个凸起（lobes），其“坚固度”（体积与凸包体积之比）为0.61。这种结构比类似的多面体（如十四面体）增加了30-40%的表面积，这是其高韧性的关键。研究明确了机械互锁是核桃壳抗破坏的主要机制。
生成设计模型的建立
研究成功将生物原理转化为参数化模型。算法从一个40 × 20 × 20 mm的基础块体出发，在保持体积恒定的约束下，自动在其接触面上生成互补的凸起图案。优化目标设定为最大化接触面积，并引入了对称性（XZ和YZ平面）以改善载荷分布和计算效率。该过程实现了从生物形态到工程参数的直接映射。
几何参数对力学性能的影响
通过实验测试不同凸起数量和高度（Hp）的样本，发现力学性能并非与凸起高度线性相关。增加凸起数量能显著提升性能，而凸起高度存在一个最优阈值：在一定范围内增加高度可提升刚度和互锁能力，但超过该阈值后，由于应力集中效应，性能反而下降。这揭示了在追求大接触面积时需平衡几何复杂度与应力集中风险。
计算与实验的验证
有限元分析结果与实验数据高度吻合，证实了模型的可靠性。分析显示，优化后的互锁结构通过扩大的界面面积实现了更好的载荷传递和应力分布，凸起之间的渐进式机械啮合是能量耗散的主要方式。
结论与展望
本研究证实了基于核桃壳微观结构的仿生生成设计是一种有效的结构优化策略。通过将生物形态发生逻辑转化为计算设计变量，成功制造出了性能优于传统平面接口的互锁块。该工作不仅提供了一种具体的仿生结构设计方案，更重要的是展示了一个可推广的框架：即如何利用进化算法和增材制造，将复杂的生物原理转化为可量化、可制造的工程解决方案。未来，这种“表面驱动互锁”的概念可进一步应用于需要高韧性、可拆卸或能量吸收的轻量化结构、建筑砌块或防护材料领域。
