陳根：從可程式設計到有記憶，超材料走向機械未來

文

/

陳根

超材料

，

作為

一種非自然生成的材料，其機械效能源於結構設計，而非化學成分。研究人員可以利用超材料製造出具有特定屬性和形狀的結構。

在過去的20年中，科學家們一直在致力於超材料的開發

。

傳統的力學超材料透過其單胞的設計最佳化以實現目標泊松比或形狀轉換等功能，通常具有空間異質性。這些功能常以無法改變的方式被

“

程式設計

”

到超材料的陣列中，想要在超材料中實現可重程式設計特性（即類似於硬碟驅動器中每個儲存單元可根據需要進行

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轉變的這種實時切換特性），仍然存在困難。

現在，

據英國《自然》期刊線上版日前發表的一項研究，瑞士科學家團隊

成功

研發

出

一種可以寫入、儲存並讀取以機械形式編碼資料的技術

。

正如硬碟給計算機系

統帶來的革命性鉅變，這種機械式編碼超材料將能讓柔性機器人、工程材料進入全新的發展階段，並將廣泛助力於需要遠端調製裝置結構引數的領域。

具體來說，研究人員

透過使用一種可平鋪的力學超構材料的設計框架克服了這一挑戰，該材料在單胞級具有穩定記憶特性

。設計結構包括一組物理二進位制元素（

m

位），類似於數字位，並清楚地描述了寫入和讀取階段。每個

m

位都可以使用磁驅動在雙穩態殼的平衡之間移動，從而在兩個穩定狀態（充當記憶體）之間獨立且可逆地切換。

設計的超材料由矽和磁粉製成，它的複雜結構使其具備機械效能可變性。

結構中的每個

“

晶格

”

都扮演了電子開關的角色。

人們

可以透過施加磁場啟用或抑制單個晶格。這改變了超材料的內部狀態，進而改變了它的力學效能。

可程式設計超材料與硬碟驅動器非常相似，也包含可以實時寫入和讀取的

“

資料位

”

。可程式設計超材料中的晶格又被稱為

“

m

位元

”

，當它被開啟時，會讓材料變得堅硬，而當

m

位元被關閉時，材料又會變得很靈活。

此外，研究人員還可以對各種開關組合進行

“

程式設計

”

，使材料在特定時間能達到所需的機械效能

。

一直以來，用超材料儲存和提取非易失性資料的目標都是

“

難以捉摸

”

的狀態。而此次成果為超材料工具集帶來了值得關注的擴充套件

。

這一設計中超材料的記憶穩定性和按需重新程式設計的特性將促進先進力學超材料的發展

，

也

為未來直接處理資料、執行計算和學習的材料打開了一扇大門。