在我们的传统认知中，一种特定的材料往往只有一种特定的属性。正因为如此，这种材料只能用于一个或几个领域，不具备更广泛的通用性。
那么，有没有可能开发出一种具有多种性能的新材料，可以应用在很多领域呢？一直以来，全世界的科学家都在探索如何解决这个问题。
最近，来自麻省理工学院和美国陆军研究实验室的研究人员成功开发出一种具有许多特性的新材料。这种材料不仅成本低，易于制造，而且组装速度非常快。他们甚至与丰田合作生产了一款功能性超里程赛车。
相关论文名为“离散组装的机械超材料”，于11月18日以封面文章的形式在线发表在科学杂志《科学进展》上。
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工具，可以帮助我们“事半功倍”。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的物体，如汽车、机器人和风力涡轮机叶片。
这项研究也得到了NASA 空的支持。
赛车测试显示出独特的潜力
为了验证这些材料在现实世界中以乐高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进行了演示。
图|功能性超里程赛车测试现场
论文作者之一本杰明·杰尼特(Benjamin Jenett)表示，他们可以在短短一个月内组装出一个轻量级的高性能结构，而使用传统的玻璃纤维建筑方法建造类似的结构需要一年时间。
展览期间，街道路面因下雨变得光滑，导致赛车最终撞上障碍物。然而出乎所有人意料的是，赛车的格子内部结构虽然变形了，但却“弹了回来”，吸收了撞击带来的震动，几乎没有任何损伤。
杰尼特说，如果是金属制成的传统汽车，车身可能已经严重凹陷，而如果是复合材料制成的汽车，则可能会断裂。这辆赛车真正表明，这些微小的零件真的可以用来制造人类大小的功能性设备。
因为这些材料的尺寸和成分基本相同，所以它们可以以任何期望的方式组合，以为更大规模的设备提供不同的功能。
对此，论文作者之一尼尔·格申菲尔德(Neil Gershenfeld)博士表示:“我们可以用这些材料制造一个机器人，它在一个方向弯曲，但在另一个方向很硬，而且只能以特定的方式移动。因此，与我们早期的工作相比，最大的变化是它能够结合各种机械材料特性。在此之前，人们总是研究某一性质的应用。”
四种机械超材料
那么，什么样的材料才能赋予赛车这种能力呢？
研究人员将这种新型材料称为“机械超材料”。之所以命名为“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亚单元，也称为体素，即刚性机械超材料，柔性机械超材料，膨胀机械超材料和手性机械超材料。
图|四种体素，其中灰色为“刚性”体素，紫色为“柔性”体素，橙色为“扩张性”体素，蓝色为“手性”体素。
元件由注射成型的聚合物平板框架组装而成，这些框架可以从小到大组合成三维形状，然后连接到更大的功能结构上。他们中的大多数将呈现一个开放的空房间，提供一个非常轻但坚硬的装配框架。其中，每一类体素都表现出天然材料所不具备的特殊性质。
刚性体素具有强度高、重量轻的特点。
“顺从的”体素的泊松比为零，这有点类似于扩展特性。但在这种情况下，当材料被压缩时，材料的侧面形状不会改变。很少有已知的材料能表现出这种性能。如今，研究人员可以用新方法生产这种材料。
“膨胀的”体素有一个不寻常的特征。当它被压缩时，立方体物质实际上向内膨胀而不是向侧面膨胀。这是这种材料第一次用传统而廉价的制造方法生产和展示。
手征体素的特征在于响应于轴向压缩或拉伸的扭曲运动。同样，这是一个不寻常的属性。
同时，研究人员可以将它们结合起来，制成能够以可预测的方式对环境刺激做出反应的设备。例如飞机机翼或涡轮叶片，这些装置通过改变它们的整体形状来响应气压或风速的变化。
对此，Gershenfeld表示，“我们所展示的每一种物质属性，之前都被用于自己独立的领域，科学家们也只是基于一种属性进行研究。这是第一次将如此多的属性集成到一个系统中。”
更广阔的应用前景
杰尼特说，这些材料不仅便宜、易于制造、组装速度快，而且相互兼容。因此，它们可以同时拥有许多不同类型的奇特属性，在同一个可扩展且廉价的系统中发挥良好的作用。
这种材料如此特殊的原因是，由一个这样的体素组成的结构在受到应力时，会以与子单元本身完全相同的方式发生变化。这项研究证明，当研究人员将零件组装在一起时，所有连接的地方都“完美”耦合，成为一个连续的整体。
Jenett认为，这项技术的早期应用可能会被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严重的运输问题。如果叶片在工作现场由数千个微小的子单元组装，运输问题就可以消除。
图|风机叶片运输现场
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成为一个严重的问题。由微小体素组成的树叶可以就地拆解，然后重新用于制作其他东西。
此外，叶片本身的工作效率也会变得更高，因为它们具有各种机械性能，能够动态地、顺势地应对风的强度变化。
这种新材料也可以赋予机器人权力。现在的机器人要么是刚性机器人，要么是柔性机器人。如果赋予机器人各种机械属性，或许机器人会获得更多意想不到的能力。
“现在，我们有了这个低成本、可扩展的系统。我们可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。这些对象所需的灵活性是该系统的主要优势之一。”Jnett补充道。
对于这项研究，斯坦福大学的阿莫里·洛文斯教授表示，“这项技术可以制造出低成本、耐用且非常轻便的飞行表面，就像鸟类的翅膀一样，可以随潮流而不断改变形状；此外，还可能使车辆的空载荷质量更接近其有效载荷，因为它们的防撞结构主要是空气体；它甚至可以使球壳的抗压强度达到前所未有的水平，使漂浮在天空的无氦真空气球空所提升的净载荷达到巨型喷气式飞机的几十倍。”
相信这种新材料的出现会给未来的科研和生活带来无限可能。
参考:https://advances.sciencemag.org/content/6/47/eabc9943
https://advances . science mag . org/content/Suppl/2020/11/16/6.47 . eabc 9943 . dc1
https://news.mit.edu/2020/versatile-building-blocks-1118
