在我們的傳統認知中，一種特定的材料往往只具備某種特定的屬性。也正因如此，這種材料只能某一個或少數領域得以應用，不具備更廣的通用性。
那麼，有沒有可能研發出一種同時擁有多種屬性，且可以應用於多個領域的新型材料呢？一直以來，全世界範圍內的科學家們都在探索如何解決這一問題。
近日，來自麻省理工學院（MIT）和美國陸軍研究實驗室（U.S. Army Research Laboratory）的研究人員，成功研發出一種具有多種屬性的新型材料，這種材料不僅成本低、易於製造，而且組裝速度也非常快。他們甚至與豐田公司合作生產了一款功能性超裡程賽車（super-mileage race car）。
相關論文以「Discretely assembled mechanical metamaterials」為題，於 11 月 18 日以封面文章的形式在線發表在科學期刊《科學進展》（Science Advances）上。
（來源：Science Advances）
研究人員表示，就像仿生學和集成設計一樣，這種新材料將是一種非常強大的新型工具，可以幫助我們「用更少的東西做更多的事情」。機器人可以通過組裝由這些材料組成的子單元來生產大型複雜物體，比如汽車、機器人和風力渦輪機葉片等。
該研究也得到了美國國家航空航天局（NASA）的支持。
賽車測試顯示獨特潛力
為了驗證這些材料可以在現實世界中以類似樂高的形式建造大型物體的潛力，研究人員與豐田公司的工程師合作，生產了一款功能性超裡程賽車，並在今年早些時候的一次國際機器人會議上展示了這款賽車。
圖 | 功能性超裡程賽車測試現場（來源：Toyota automotive society）
論文作者之一 Benjamin Jenett 表示，他們可以在短短一個月內組裝出輕量化且具有高性能的結構，而使用傳統的玻璃纖維建築方法建造一個類似的結構卻需要一年時間。
在展示期間，街道路面因下雨而變得光滑，導致賽車最終撞上了障礙物。然而，令所有人驚訝的是，儘管賽車的格子狀內部結構發生了變形，但又「反彈」了回來，吸收了因衝擊產生的震動，幾乎沒有受到任何損壞。
Jenett 表示，如果是由金屬製成的傳統汽車，可能車身已經出現嚴重凹陷了，而如果是由複合材料製成的汽車，則可能會出現破碎的情況。這輛賽車真實地展示了這些微小部件確實可以用於製造人類大小的功能設備。
由於這些材料的大小和組成基本上是一致的，因此它們能以任何需要的方式被組合，為更多大型設備提供不同的功能。
對此，論文作者之一 Neil Gershenfeld 博士表示：「我們可以利用這些材料製作出在一個方向上彎曲，但在另一個方向上堅硬的機器人，並且它只能以特定的方式移動。因此，與我們早期的工作相比，最大的變化是它結合多種力學材料屬性的能力，而在此之前，人們始終是針對某一項屬性的應用進行研究。」
四種力學超材料
那麼，究竟是一種怎樣的材料才能賦予賽車這種能力？
研究人員將這種新型材料稱為「力學超材料」（mechanical metamaterials），之所以將其命名為「超材料」，是因為它們的宏觀特性不同於其組成材料的微觀特性。
在這項工作中，他們創建了四種不同類型的微型子單元，也稱為體素（Voxels），分別為剛性力學超材料（Rigid mechanical metamaterial）、柔順力學超材料（Compliant mechanical metamaterial）、拉脹力學超材料（Auxetic mechanical metamaterial）和手性力學超材料（Chiral mechanical metamaterial）。
圖 | 四種體素，其中灰色為「剛性」體素，紫色為「柔順」體素，橙色為「拉脹」體素，藍色為「手性」體素。
體素由注射成型的聚合物的扁平框架組裝而成，由小及大，可以組合成三維形狀，進而連接到更大的功能結構中，它們大多數會呈現出一個開放的空間，提供了一個極其輕便但堅硬的組裝框架。其中，每種類型的體素都表現出了自然材料所不具備的特殊性質。
「剛性」（rigid）體素具有高強度、低重量的特點。
（來源：Science Advances）
「柔順」（compliant）體素的泊松比為零，有點類似於膨脹特性。但在這種情況下，當材料被壓縮時，材料側面形狀不會改變。很少有已知的材料可以表現出這種性能。如今，研究人員可以通過新方法來生產這種材料。
（來源：Science Advances）
「拉脹」（auxetic）體素具有一種不尋常的特性。當它被壓縮時，立方體材料實際上不是向側面膨脹，而是向內膨脹。這是第一次通過傳統和廉價的製造方法生產並展示出這種材料。
（來源：Science Advances）
「手性」（chiral）體素以扭曲運動響應軸向壓縮或拉伸為特點。同樣，這也是一個不同尋常的屬性。
（來源：Science Advances）
同時，研究人員還可以將它們結合起來，來製造能以可預測方式響應環境刺激的設備。比如，飛機機翼或渦輪葉片，這些設備通過改變其整體形狀來響應氣壓或風速變化。
對此，Gershenfeld 表示，「我們所展示的每一種物質屬性以前都應用在各自獨立的領域，科學家們也只是基於其中某一個屬性進行研究，這是第一次將這麼多屬性集成在一個系統中。」
更廣泛的應用前景
Jenett 表示，這些材料不僅價格低廉、易於製造、組裝速度快，而且它們之間還彼此兼容。因此，它們可以同時具備多種不同類型的奇特屬性，並且在同一個可擴展、廉價的系統中發揮很好的作用。
這種材料如此特殊的關鍵在於，由一種這類體素組成的結構會與亞單位本身受應力時表現出的變化方式完全相同。此次研究證明，當研究人員將零件組裝在一起時，所有連接地方都「完美」耦合，成為了一個連續的整體。
Jenett 認為，這項技術的早期應用可能是用於製造風力渦輪機的葉片。隨著風力渦輪機葉片的結構變得越來越大，將葉片運輸到工作現場已經成為一個嚴重的運輸問題，而如果這種葉片由數千個微小的子單元在工作現場組裝完成，就可以消除運輸問題。
圖 | 風機葉片運輸現場（來源：Devir Saati）
同時，由於葉片尺寸大且缺乏可回收性，廢棄渦輪葉片的處理也已經成為一個嚴重的問題。而由微小體素組成的葉片可以在現場拆卸，然後重新用於製造其他東西。
此外，葉片本身的工作效率也會變得更高，因為它們具備了多種力學特性，可以動態、順勢地響應風的強度變化。
這種新型材料也可以為機器人賦能。如今的機器人要麼為剛性機器人，要麼為柔性機器人，如果在為機器人賦予多種力學特性，或許機器人將獲得更多意想不到的能力。
「如今，我們有了這個低成本且可擴展的系統，我們以設計任何想要的物體，比如四足動物、遊泳機器人和飛行機器人，這些物體所需的靈活性，也正是該系統表現出的主要優勢之一。」 Jnett 補充道。
對於這項研究，史丹福大學的 Amory Lovins 教授表示，「這項技術可以製造出價格低廉、經久耐用且非常輕便的航空飛行表面，就像鳥類的翅膀一樣，可以順勢、持續改變它們的形狀；此外，它還可能使汽車的空載質量（empty mass）更接近其有效載荷，因為它們的防撞結構主要為空氣；它甚至可以使球形外殼的抗壓強度達到一種前所未有的級別，使得天空中漂浮的無氦真空氣球抬起的淨載荷達到大型噴氣式飛機的幾十倍。」
相信這種新材料的出現，可以為未來科研與生活賦予無限的可能。
參考資料：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