加州理工学院研究人员说，他们找到了一种数学方法，可以解释为什么软体动物能够在不同环境下仍然构造出高度一致的贝壳。由工程师兼材料科学家考希克·巴塔查里亚和博士后学者黄柳领衔的这项工作，用少量变量描述贝壳生长，能重现从鹦鹉螺螺旋到扇贝扇形的多种形态。
关键事实
- 这项研究于10月23日发表于《美国国家科学院院刊》。
- 研究人员说，模型由三部分组成：贝壳生长边缘的曲线、一个缩放因子和一个旋转角度。
- 该方法可以重现几乎所有类群软体动物的典型贝壳形态。
- 团队认为，这一过程是被动且节能的，可能为复杂零件制造提供启发。
- 论文题目是《局部生长规律决定软体动物贝壳的整体形状》。
为什么这个贝壳生长模型对工程有意义？
对工程师和材料科学家来说，这个模型的重要性在于它的简洁性：研究人员认为，许多贝壳形状可以由壳缘的局部重复生长自然形成，而不需要一个追踪整个结构的系统。这让结果与设计更温和、能耗更低的复杂零件制造方法直接相关。
研究人员特别提到，这一思路可能用于制造喷气发动机中的特种歧管。按照他们的框架，只需改变生长规律中的两个值，就能在保持整体可重复形态的同时，生成明显不同的贝壳。
- 驱动形状的因素：初始曲线、生长速率和旋转角度。
- 保持稳定的特征：即使改变生长速率或加入轻微缺陷，整体贝壳形态仍保持可重复。
- 可能的后续应用：模仿这种被动生物生长的新制造方法。
软体动物如何不断做出相同的贝壳？
研究人员说，答案在于壳前缘重复执行的生长规则。一旦原壳形成，后续每一步生长都会决定下一步，新材料只沿着那条曲线被添加。在模型中，只要不断重复这些局部动作，就能重新构建整个贝壳。
巴塔查里亚和黄柳表示，贝壳的生长线会把同样的形状从一个阶段保留到下一个阶段，而差异则由缩放和旋转来体现。因此，他们用李群这一数学框架来描述这种重复而平滑的作用。
这项模型在不同软体动物类群中表现如何？
研究人员表示，只需改变起始曲线和缩放因子，模型就能生成几乎所有已知软体动物贝壳的形状。缩放值λ在生物学上也有意义：同一软体动物类群中的贝壳几乎拥有相同的λ，而五个有壳类群各自占据一个狭窄范围。
这五个类群分别是腹足纲、双壳纲、头足纲、多板纲和掘足纲。研究结果说明，贝壳形状不仅外观多样，而且由一小组底层生长参数加以组织。
这对材料设计意味着什么？
团队认为，软体动物贝壳是被动且高能效的，因为动物不需要额外控制来引导后续每一阶段的构造。这也是这种生物学机制对制造设计具有吸引力的原因。
巴塔查里亚说，这些结果提示，可以用更温和、能耗更低的方法制造复杂零件。该论文得到德里克沃德博士后奖学金和加州理工学院豪厄尔·N·泰森资深教授席位的支持。
