由马萨诸塞大学阿默斯特分校领导的一个研究小组从各种自然几何图案(包括 12 面骰子和薯片的图案)中汲取灵感，以便将一套众所周知的设计原则扩展到全新的设计中。一类海绵材料，可以自组装成精确可控的结构。

他们的理论和计算模型发表在《美国国家科学院院刊》上，允许最大限度地提高设计经济性，或者使用最少数量的可编程自组装部件来实现最大的可能结构。

材料科学的圣杯之一是模仿大自然的能力，形成坚固、复杂的自组装材料，然后创建具有多种功能的结构。想想蝴蝶翅膀上形成的晶体纳米结构，其精确的形状和尺寸精确地决定了反射哪些波长的光，从而赋予不同物种独特的标记。

“我们受到病毒自组装的启发，”麻省大学阿默斯特分校聚合物科学教授、该论文的资深作者格雷格·格拉森(Greg Grason)说。

“虽然有些病毒从健康角度来看可能会带来风险，但它们具有令人难以置信的‘自关闭’设计。许多病毒具有刚性、高度对称的球形外壳，而这种外壳是由尽可能少的蛋白质排列构成的。外壳是尺寸也合适——再大，它就无法感染宿主;再小，病毒的威力就不够强。完美的形状，就像病毒一样——只不过我们想要设计完全不同类型的几何形状。”

格拉森和他的团队，包括布兰迪斯大学和雪城大学的同事，以及共同主要作者卡洛斯·M·杜克和道格拉斯·M·霍尔，他们都在麻省大学阿默斯特分校研究生学习期间完成了这项研究，他们并不是第一个受到病毒的启发。

早在 20 世纪 60 年代，两位结构生物学家唐纳德·卡斯帕 (Donald Caspar) 和诺贝尔奖获得者亚伦·克鲁格 (Aaron Klug) 受到巴克敏斯特·富勒 (Buckminster Fuller) 著名的测地圆顶的启发，意识到他的圆顶结构也描述了病毒外壳。他们继续推导出一套设计原则，称为卡斯帕-克卢格对称原则，描述了如何用最少的构建块构建一个包含最大可能体积的结构。

“受到二十面体病毒壳 Caspar-Klug 结构的美丽和优雅的启发，我们开发了一个路线图，以找到经济的设计规则，可以帮助我们设计各种非常有用的纳米结构，”杜克说。

然而，卡斯帕-克卢格对称原理仅描述具有正曲率的结构，或形状，如圆顶，在各个方向上向内弯曲。

格拉森说：“我们想知道，如果反转曲率，使曲线彼此朝相反的方向延伸，就像品客薯片一样，会发生什么。”

“什么类型的自闭合几何形状可以形成负曲率，它们可以保持卡斯帕-克卢格组件的经济性吗?”

具有这种负曲率的结构具有由互连的孔和管构成的海绵结构，实际上与蝴蝶翅膀鳞片中形成的光子纳米结构密切相关。

为了回答他们的问题，格拉森和他的合著者设计了一个计算模型，该模型表明具有三周期负曲率的结构确实可以保持卡斯帕和克鲁格在球形病毒中观察到的组装经济性。

“我们能够将正曲率形状的经济性扩展到一组更复杂的结构，这些结构可以通过组装‘可编程’构建块来实现，这些构建块可以使用 DNA 纳米技术或从头蛋白质设计的方法来制造，”格拉森说。

“我们的工作模拟了组装过程，”霍尔说。

“首先，一些构建块聚集在一起形成负弯曲的斑块，就像边缘粗糙的薯片一样。随着斑块的生长，表面会自行闭合并形成在所有三个维度上延伸的通道。高度规则的阵列通道使得新的潜在材料具有绚丽的色彩或能够衰减声音。”