研究人员正在端详一块墨鱼骨微结构的3D打印模型。图片来源：Peter Means for Virginia Tech.
Ling Li在一次机械工程课上介绍了碳酸钙等易碎材料在压力下的应变性。在课上，他拿起一支粉笔（由碳酸钙组成）从中间掰成两截，并将一个截断面展示给学生们看——又钝又直。随后他拿起另一根粉笔并扭断它，产生的断面为更尖锐的45度角，表明了粉笔在沿拉应力方向上更加脆弱。Li借由这根断掉的粉笔说明，易碎的碳酸钙在正常作用下会折断。Li说道：“如果你折它，它就会被折断。”
Li的实验室主要研究生物学和仿生学材料。他研究过的海洋动物的生物结构材料，许多都具有碳酸钙结构。有的软体动物利用碳酸钙形成光子晶体结构，具有丰富的表面颜色，Li解释道，“就像蝴蝶的翅膀那样。”另一些海洋动物还有由矿物质组成的眼睛和壳。随着对这些动物研究的深入，Li惊讶地发现，它们的身体正是由这类脆弱易碎的材料构建的，但通过恰当的使用，反而表现出相反的坚韧特性。
在发表于《美国科学院院刊》的一篇文章中，Li的团队重点研究了墨鱼——它也是一种能创造性地利用碳酸钙构建身体、并能自由在各种海洋深度中出入的动物。他们研究了墨鱼骨高度多孔的内部微结构，并发现其具有独特的、分腔室的“墙-隔板”（wall-septa）设计。这种微结构重量极轻、坚硬而且耐损伤。
他们的研究揭示了这种潜在的材料设计策略，使得墨鱼骨具有很高的机械性能，尽管这一结构主要由脆弱的文石（碳酸盐晶体）。
在海洋中，墨鱼将墨鱼骨当作一个坚硬的浮力箱，通过调整浮力箱中的水-气比例，来控制身体所在的深度（可下潜至600米深）。为此，墨鱼骨必须质轻且多孔，以便进行积极的流体交换，同时还要足够坚硬，还需要足够坚硬以保证墨鱼在深潜时能承受住水压。一旦墨鱼骨因为水压或捕食者的攻击而受损时，它还需要能够吸收大部分能量，从而损害限制在局部区域，不至于影响整个骨架。
在研究墨鱼骨内部微结构的过程中，Li的团队发现，正是因为需要具有多种功能，墨鱼骨才变得如此独特。文章的共同作者、博士生Ting Yang使用基于回旋加速器的微型电脑断层扫描技术，构建了墨鱼骨的三维微结构，并利用阿贡国家实验室高功率的X射线扫描墨鱼骨，生成了高分辨率的图片。在机械性能测试过程中，他们借助原位层析成像技术，观察到墨鱼骨被挤压时的内部微结构状态。
随后，他们又利用电子成像相关技术将这些电子图片联系起来，并逐帧比较和研究墨鱼骨在载荷下的完全变形和破碎过程。这些实验揭示了更多关于墨鱼骨分腔室的“墙-隔板”式微结构，以及其优异的优化重量、硬度和耐磨损的特性。
借助竖直的“墙”结构支撑形成的“地板”和“隔断”结构，墨鱼骨被分割成许多独立的腔室。
鸟类等动物也拥有类似的结构，即所谓的“三明治”结构——两层致密的骨头之间由竖直的隔断结构支撑，这样使得结构质量轻且坚固。但墨鱼骨的微结构有许多层，用于支撑的“墙”结构也呈波浪状而非竖直的结构，且波浪的幅度从底部到上层逐渐增大，呈现一个“波浪状”梯度。Li表示，“这是我们以前从未见过这种结构，至少其他模型中没有。”“墙-隔断”的设计使墨鱼骨能够控制损伤的位置和程度。
这样的结构让损坏来得更“轻柔”：受压时，腔室一层要接一层毁坏，这是一个渐进的而非瞬时的过程。
研究人员发现墨鱼骨的波状隔断能将损坏控制在处于中间层的腔室“墙”，而非底层或顶层，否则往往会导致整个结构的破坏。当一个腔室发生毁坏并变小——即被毁坏的腔室中破碎的壁面逐渐被压缩，相邻的腔室会保持完整，直到其底层和顶层破碎。Li解释道，在这一过程中，大量的机械能被吸收，限制了外力的影响。
借助计算机模型，Li的研究团队进一步研究了墨鱼骨微结构的潜力。博士后研究员Zian Jia利用通过三维X射线断层摄影获得的微结构测量数据，构建了一个虚拟的参数模型，通过在模型中测试当腔室墙的波浪状程度改变时，它的性能变化。Li表示，“我们已经知道墨鱼骨的波状隔断具有一定梯度，Zian通过数学模型改变这一梯度，并研究具有不同梯度的模型的性能。改变之后的模型性能更好还是更差？
我们的研究证明，墨鱼骨的结构是最优的。如果波状隔断的梯度偏大，结构硬度就会降低；如果偏小，结构又会变得易碎。墨鱼骨的结构似乎处于一个能够平衡强和能量吸收率的最佳状态。”
Li看到了这种墨鱼骨微结构在泡沫陶瓷中应用的潜力。在包装、运输和构建基础设施中，人们更倾向使用高聚物和金属材料，来抵抗冲击或吸收能量。Li表示，泡沫陶瓷由于易碎很少会用到。但陶瓷有其独特的优势：化学性质更稳定，而且耐高温。
Li相信，如果能将新发现的墨鱼骨抗毁坏特性融入泡沫陶瓷，并与其耐高温的特性相结合，便能够赋予该材料理想的性能，并被用于太空飞船或日常热防护领域。他的团队在另一项单独的研究中评估这一应用。
尽管受到墨鱼骨的启发，该团队已经开始在自然界探寻其他材料的应用潜力，不过对Li来说，研究墨鱼骨结果基本的设计同样很重要。Li表示，“自然界中存在形成了许多结构材料。”这些材料往往在室温和常压下被制造，而不像金属那样需要进行高温处理，难以在自然环境中生产出来。我们对生物结构材料和工程结构材料之间存在的差异，十分着迷。或许我们的研究还能将两者联系，制造出新的结构材料吗？