萬能的「樂高體素」

當地時間11月18日，美國麻省理工學院比特和原子中心的研究人員在《科學進展》雜誌中發文，闡述了一種可以形成超材料的微型構築塊（體素）。每種體素都表現出了普通天然材料不具備的特殊性質，而其構成的材料也可以展現多種機械特性。

四種類型的機械超材料：剛性材料、柔性材料、拉脹材料和手性材料（從左至右）。

微型構築塊有望用於組裝各種各樣具有內置功能的物件，包括車輛、大型工業部件或專用機器人。而由其拼合製造的設備能以可預測的方式對環境刺激作出反應，例如：飛機機翼或渦輪葉片可通過形狀改變來應對氣壓或風速的變化。

超材料體素由注射成型的聚合物平面框架塊組裝而成，隨後，它們再聚集形成三維形態，這些三維形態可以連接形成更大的功能結構。它們大多具有開放空間，因此能夠形成極輕但具有剛性的結構。

除了基本的剛性單元，這些超材料體素還有其他3種變體，每一種都有不同尋常的特性：「拉脹」體素構成的立方體在被壓縮時，不會從側面凸出，反而向內凹陷；「柔性」體素的泊松比為零，當材料被壓縮時，側面完全不會產生形變；「手性」體素可以通過扭轉運動響應軸向壓縮或拉伸。

研究人員Neil Gershenfeld說：「我們首次通過單一系統展示了所有特性。」

為展示這種「類樂高」體素在現實世界中的應用潛力，Gershenfeld團隊與豐田工程師合作製造了一輛超性能賽車。

研究人員Benjamin Jenett說：「我們只需要一個月時間就能（用體素）組裝出輕質高性能結構。如果用傳統的玻璃纖維製造類似結構，則需要花上一年左右的時間。」

在演示實驗中，因街道溼滑，賽車撞在了障礙物上。令人驚訝的是，這輛車的網狀內部結構產生形變後又發生反彈，從而吸收了衝擊力，因此賽車幾乎沒有損壞。

Gershenfeld補充道：「在這輛賽車中，除了馬達和電源，所有部件都是由這些『樂高』體素組裝的。」這證明，這些微小的建材確實可以用來製造適應人類使用的功能設備。

除此之外，「超材料體素也有望在同一設備中實現不同特性的混合，」Gershenfeld說，例如：機器人常以「硬/軟」特性被劃分，使用體素構建的機器人可以同時實現軟性及硬性。

除了成本低廉、兼容性良好之外，這種超材料體素還有其他關鍵優勢。Jenett說：「體素組成的大型結構的行為方式與體素本身相同。把這些部件組裝在一起時，『關節』仿佛消失了，它們的表現與連續、完整的材料別無二致。」

科界原創

編譯：德克斯特

審稿：西莫

責編：陳之涵

期刊來源：《科學進展》

期刊編號：2375-2548

原文連結：

https://phys.org/news/2020-11-versatile-blocks-mechanical-properties.html

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