近日，MIT 團隊與豐田合作的超裡程汽車，撞上障礙物幾乎無損壞。他們在今年的一次國際機器人會議進行了演示。
研究人員表示，他們只用了一個月的時間就組裝出了輕量化、高性能的結構，而之前用傳統的玻璃纖維結構方法建造一個類似的結構需要一年的時間。
在展示過程中，賽道因下雨而變得溼滑，賽車最終撞上了障礙物。出乎所有人意料的是，賽車網格狀的內部結構發生了變形，然後反彈，吸收了衝擊力，幾乎沒有損壞。研究人員說，如果是傳統的採用金屬材質的汽車，很可能會嚴重凹陷，如果是複合材料，則會被撞得粉碎。
這輛汽車生動地展示了一個事實，即體素（voxels）確實可以用來製造可用的設備。而且這輛汽車除了電機和電源之外，其餘零件都是由體素組成的。
體素是一種超材料，就像更高階版本的樂高一樣，由注塑聚合物的平面框架件製成，然後製造成三維形狀，可以組合成更大的結構。
研究者基於有限集的模塊化、和大批量零件離散裝配，提出一個機械超材料的構造系統。
當體素連接在一起時，提供了一個輕量、但剛性的框架。除了標準的剛性體素（灰色），提供特殊強度和重量組合，還有其他三種體素迭代版本。
「順應性」體素（"compliant" voxels，紫色）：泊松比（橫向變形係數）為零，在壓縮時不會出現側面變形。以往的已知材料很少表現出這種特性。
「拉脹性」體素（"auxetic" voxels，橙色）：立方體材料在被壓縮時不是從兩邊凸出，而是向內凸起。這是首次展示通過傳統和廉價的製造方法來生產這種材料。
「手性」體素（"chiral" voxels，藍色）：在受到軸向壓縮或拉伸時會出現扭曲反應。這也是一種不同尋常的特性。去年，研究人員通過複雜的製造技術生產出一種類似材料。現在，通過這項研究，可以很容易地從宏觀層面實現材料性能。
因為這些體素的大小和組成都是統一的，所以可以用任何需要的方式進行組合，為最終的設備提供不同的功能。
以上證明，量產體素可以類似樂高的方式構建出大型物體，該汽車由麻省理工學院（MIT）比特和原子研究中心的科學家與豐田公司的工程師合作。
據悉，MIT 比特和原子研究中心的科學家們，提出了一個基於有限部分離散裝配的機械超材料構造系統，通過一系列微型聚合物材料，這種類似「積木」的微型構建基塊，表現出了一些非常獨特的機械性能，比如在受到擠壓時能夠表現出扭轉運動。
這些材料可以通過機器人設備加工，組合各種具有綜合功能的結構，比如汽車、大工業零件或可以反覆組裝成不同形態的專用機器人。這項研究有望徹底改變超輕、材料節約型結構的成本、可定製性和機能效率。
這些子單元可以被機器人組裝成大型複雜的物體，包括汽車、機器人或風力渦輪機葉片。
2020 年 11 月 18 日發表在 Science 子刊 Science Advances 上的研究中，研究人員將這種新型材料稱為 「力學超材料」（mechanical metamaterials），研究人員創造了四種不同類型的機械元材料子單元，被稱為體素（Voxels，二維圖像像素 Pixel 的三維化），並以它們在二維圖像像素上的三維變化命名。同期該論文登上了 Science Advances 的封面。
每一種體素模型都顯示出傳統天然材料中看不到的特性，結合使用，可以直接生產對環境刺激作出反應的設備。相關用途包括通過改變其整體形狀而對氣壓變化或風速敏感的飛機機翼或渦輪葉片。
超材料提供奇異特性
材料是我們日常生活中的「常客」，如金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、木質材料、複合材料等。但如果說到超材料（metamaterials），恐怕大家會一頭霧水吧？
圖 | 浙江大學研究團隊的超材料的「隱身」裝置的效果
超材料是指具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料，比如隱身衣是近年來出鏡率比較高的超材料應用，此外還有電磁超材料、左手材料、光子晶體和非正定介質等，聽起來都非常「科幻」。
他們還通過實驗證明了每種零件類型所需的超材料特性，並結合數值模擬結果，展示出其他意想不到的有用特性。最終實現系統通過部件設計，來實現預期連續體屬性，這樣局部機制就能控制全局行為。
此外，該團隊還詳細描述了設計方法、生產過程、數值模擬和超材料行為的實驗表徵。設計方法得益於增量裝配，增量裝配是一種可消除規模限制的、可靠的、低成本部件生產實踐，它還能通過跨部件類型的一致裝配過程來實現可互換性。
圖 | 離散力學超材料子系統的描述和表徵
論文合著者 Neil Gershenfeld 教授表示，他們所展示的每一種材料屬性，以前都是在各自的領域，人們會只寫那一種屬性的論文。這是第一次在一個單一系統中顯示所有這些屬性的東西。我們可以跨越各種材料屬性，而這些屬性之前一直被認為是非常專用的。
關鍵是，不必選擇一種單一的屬性。例如，可以製造出在一個方向上彎曲，在另一個方向上堅硬，並且只以某種方式移動的機器人。所以，最大的變化就是這種跨越多種機械材料屬性的能力，在此之前，這些材料的屬性都是被單獨考慮的。比如汽車、機器人、船和飛機上所有的剛性部件和運動部件。而這次的研究成果讓我們可以用這一個系統跨越所有材料屬性。
「我們可以跨越廣泛的材料屬性，而這些屬性在之前一直被認為是非常專業的，」 Gershenfeld 說。「關鍵是，你不必選擇一種屬性。例如，你可以製造出在一個方向上彎曲，在另一個方向上僵硬，並且只能以某些方式移動的機器人。因此，與我們之前的工作相比，最大的變化就是這種跨越多種機械材料屬性的能力，而在此之前，這些屬性都是被單獨考慮的。」
據主要研究合著者、MIT 博士畢業生 Benjamin Jenett 博士介紹，超材料系統的一個顯著好處是，僅由一種類型的體素組成的複雜結構與單個子單元的作用完全相同。
「這些部件成本低，易於生產，組裝速度非常快，你可以在一個系統中獲得各種材料特性。」他解釋說。「它們都是相互兼容的，所以有所有這些不同類型的屬性，都能在同一個可擴展的、廉價的系統中很好地相互發揮。我們能夠證明，當你將這些部件組裝在一起時，它表現為一個連續的、整體的材料。」
這些可變的體素有一個特別理想的應用：為風力渦輪機製造葉片。這將消除巨型葉片被運到現場安裝的運輸問題。此外，由於葉片能夠拆解成可回收到其他產品和部件的組件體，渦輪葉片處理的環境汙染和浪費問題也可能得到解決。
研究人員表示，有了這個低成本、可擴展的系統，所以我們可以設計任何想要的東西，比如四足動物機器人，遊泳機器人，飛行機器人。這種靈活性是該系統的關鍵優勢之一。
美國軍方參與研究，未來或應用於軍事領域
該研究團隊包括 MIT 的 Filippos Tourlomousis、Alfonso Parra Rubio 和 Megan Ochalek，以及美國陸軍研究實驗室（U.S. Army Research Laboratory）的 Christopher Cameron。這項工作得到了美國宇航局 NASA、美國陸軍研究實驗室和 MIT 比特和原子研究中心的支持。
這種獨特機械性能的材料連接起來新方法，事實上也為未來的軍事機器人提供了可能。例如，一群機器人可以形成一座橋，讓部隊過河。研究人員表示，這種能力將增強軍事機動性和作戰人員及裝備的生存能力。
該論文涉及模塊化結構的設計，並介紹了一個系統，該系統將使陸軍能夠製造出各種具有獨特性能的機器人，如衝擊能量吸收。研究人員設計的材料展示了一系列令人驚訝和有用的特性，包括極端的剛度、韌性和位移與旋轉之間的獨特耦合。
未來，這項研究將使軟機器人、響應式航空和水動力結構以及用戶定義的可編程材料等新興領域成為可能，從而進一步融合未來工程系統的數字和物理方面。