颠覆认知！科学家发明多功能新型材料，未来或可用于各类场景

在我们的传统认知中，一种特定的材料往往只具备某种特定的属性。也正因如此，这种材料只能某一个或少数领域得以应用，不具备更广的通用性。

那么，有没有可能研发出一种同时拥有多种属性，且可以应用于多个领域的新型材料呢？一直以来，全世界范围内的科学家们都在探索如何解决这一问题。

近日，来自麻省理工学院（MIT）和美国陆军研究实验室（U.S. Army Research Laboratory）的研究人员，成功研发出一种具有多种属性的新型材料，这种材料不仅成本低、易于制造，而且组装速度也非常快。他们甚至与丰田公司合作生产了一款功能性超里程赛车（super-mileage race car）。

相关论文以“Discretely assembled mechanical metamaterials”为题，于 11 月 18 日以封面文章的形式在线发表在科学期刊《科学进展》（Science Advances）上。

（来源：Science Advances）

研究人员表示，就像仿生学和集成设计一样，这种新材料将是一种非常强大的新型工具，可以帮助我们“用更少的东西做更多的事情”。机器人可以通过组装由这些材料组成的子单元来生产大型复杂物体，比如汽车、机器人和风力涡轮机叶片等。

该研究也得到了美国国家航空航天局（NASA）的支持。

赛车测试显示独特潜力

为了验证这些材料可以在现实世界中以类似乐高的形式建造大型物体的潜力，研究人员与丰田公司的工程师合作，生产了一款功能性超里程赛车，并在今年早些时候的一次国际机器人会议上展示了这款赛车。

图 | 功能性超里程赛车测试现场（来源：Toyota automotive society）

论文作者之一 Benjamin Jenett 表示，他们可以在短短一个月内组装出轻量化且具有高性能的结构，而使用传统的玻璃纤维建筑方法建造一个类似的结构却需要一年时间。

在展示期间，街道路面因下雨而变得光滑，导致赛车最终撞上了障碍物。然而，令所有人惊讶的是，尽管赛车的格子状内部结构发生了变形，但又“反弹”了回来，吸收了因冲击产生的震动，几乎没有受到任何损坏。

Jenett 表示，如果是由金属制成的传统汽车，可能车身已经出现严重凹陷了，而如果是由复合材料制成的汽车，则可能会出现破碎的情况。这辆赛车真实地展示了这些微小部件确实可以用于制造人类大小的功能设备。

由于这些材料的大小和组成基本上是一致的，因此它们能以任何需要的方式被组合，为更多大型设备提供不同的功能。

对此，论文作者之一 Neil Gershenfeld 博士表示：“我们可以利用这些材料制作出在一个方向上弯曲，但在另一个方向上坚硬的机器人，并且它只能以特定的方式移动。因此，与我们早期的工作相比，最大的变化是它结合多种力学材料属性的能力，而在此之前，人们始终是针对某一项属性的应用进行研究。”

四种力学超材料

那么，究竟是一种怎样的材料才能赋予赛车这种能力？

研究人员将这种新型材料称为“力学超材料”（mechanical metamaterials），之所以将其命名为“超材料”，是因为它们的宏观特性不同于其组成材料的微观特性。

在这项工作中，他们创建了四种不同类型的微型子单元，也称为体素（Voxels），分别为刚性力学超材料（Rigid mechanical metamaterial）、柔顺力学超材料（Compliant mechanical metamaterial）、拉胀力学超材料（Auxetic mechanical metamaterial）和手性力学超材料（Chiral mechanical metamaterial）。

图 | 四种体素，其中灰色为“刚性”体素，紫色为“柔顺”体素，橙色为“拉胀”体素，蓝色为“手性”体素。

体素由注射成型的聚合物的扁平框架组装而成，由小及大，可以组合成三维形状，进而连接到更大的功能结构中，它们大多数会呈现出一个开放的空间，提供了一个极其轻便但坚硬的组装框架。其中，每种类型的体素都表现出了自然材料所不具备的特殊性质。

“刚性”（rigid）体素具有高强度、低重量的特点。

“柔顺”（compliant）体素的泊松比为零，有点类似于膨胀特性。但在这种情况下，当材料被压缩时，材料侧面形状不会改变。很少有已知的材料可以表现出这种性能。如今，研究人员可以通过新方法来生产这种材料。

“拉胀”（auxetic）体素具有一种不寻常的特性。当它被压缩时，立方体材料实际上不是向侧面膨胀，而是向内膨胀。这是第一次通过传统和廉价的制造方法生产并展示出这种材料。

“手性”（chiral）体素以扭曲运动响应轴向压缩或拉伸为特点。同样，这也是一个不同寻常的属性。

同时，研究人员还可以将它们结合起来，来制造能以可预测方式响应环境刺激的设备。比如，飞机机翼或涡轮叶片，这些设备通过改变其整体形状来响应气压或风速变化。

对此，Gershenfeld 表示，“我们所展示的每一种物质属性以前都应用在各自独立的领域，科学家们也只是基于其中某一个属性进行研究，这是第一次将这么多属性集成在一个系统中。”

更广泛的应用前景

Jenett 表示，这些材料不仅价格低廉、易于制造、组装速度快，而且它们之间还彼此兼容。因此，它们可以同时具备多种不同类型的奇特属性，并且在同一个可扩展、廉价的系统中发挥很好的作用。

这种材料如此特殊的关键在于，由一种这类体素组成的结构会与亚单位本身受应力时表现出的变化方式完全相同。此次研究证明，当研究人员将零件组装在一起时，所有连接地方都“完美”耦合，成为了一个连续的整体。

Jenett 认为，这项技术的早期应用可能是用于制造风力涡轮机的叶片。随着风力涡轮机叶片的结构变得越来越大，将叶片运输到工作现场已经成为一个严重的运输问题，而如果这种叶片由数千个微小的子单元在工作现场组装完成，就可以消除运输问题。

图 | 风机叶片运输现场（来源：Devir Saati）

同时，由于叶片尺寸大且缺乏可回收性，废弃涡轮叶片的处理也已经成为一个严重的问题。而由微小体素组成的叶片可以在现场拆卸，然后重新用于制造其他东西。

此外，叶片本身的工作效率也会变得更高，因为它们具备了多种力学特性，可以动态、顺势地响应风的强度变化。

这种新型材料也可以为机器人赋能。如今的机器人要么为刚性机器人，要么为柔性机器人，如果在为机器人赋予多种力学特性，或许机器人将获得更多意想不到的能力。

“如今，我们有了这个低成本且可扩展的系统，我们以设计任何想要的物体，比如四足动物、游泳机器人和飞行机器人，这些物体所需的灵活性，也正是该系统表现出的主要优势之一。” Jnett 补充道。

对于这项研究，斯坦福大学的 Amory Lovins 教授表示，“这项技术可以制造出价格低廉、经久耐用且非常轻便的航空飞行表面，就像鸟类的翅膀一样，可以顺势、持续改变它们的形状；此外，它还可能使汽车的空载质量（empty mass）更接近其有效载荷，因为它们的防撞结构主要为空气；它甚至可以使球形外壳的抗压强度达到一种前所未有的级别，使得天空中漂浮的无氦真空气球抬起的净载荷达到大型喷气式飞机的几十倍。”

相信这种新材料的出现，可以为未来科研与生活赋予无限的可能。

参考资料：
https://advances.sciencemag.org/content/6/47/eabc9943

https://advances.sciencemag.org/content/suppl/2020/11/16/6.47.eabc9943.DC1

https://news.mit.edu/2020/versatile-building-blocks-1118