最新《Nature》：一种具有稳定记忆的可重编程机械超材料！

超材料通过其底层结构布局的几何排列，来实现奇异的物理特性。传统的力学超材料，通过单胞优化实现目标泊松比或形态变换等功能，通常具有空间异质性。这些功能，以一种无法改变的方式，编程到超材料的布局中。

尽管人们已经努力去探索，可在制造后调整这些特性的方法，但它们仍没有表现出类似于数字设备的其中每个单元，都可以根据需要实时地写入或读取(如硬盘驱动器)的机械可重编程性。

近日，来自瑞士洛桑联邦理工学院的Mark Pauly & Pedro M. Reis等研究者，通过使用一种具有单元级稳定记忆的，平铺机械超材料的设计框架克服了上述挑战。相关论文以题为“A reprogrammable mechanical metamaterial with stable memory”发表在Nature上。更多精彩专业视频，请关注抖音账号：材料科学网。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03123-5

稳定地改变以材料为基础的系统的力学行为能力是非常重要的。在这里，研究者受成熟的技术启发，确定了这样一个系统的必要功能。例如，硬盘驱动器通过对磁性介质的读写来存储数据，而且每个比特都有两种可可逆磁化的状态。另一个例子是，液晶显示器中的像素级偏振随着所施加的电压的比例不断被重新编程。

在研究者提出的超材料中，每个m-比特在制造上是相同的，并且可以周期性地平铺，具有以下核心要求。首先，正如一个数字位可以支持多次重写，一个m比特在编程过程中的状态变化必须是弹性的(可逆的)。其次，像在非易失性存储中一样，通过写入引起的状态变化必须是无限稳定的。第三，编程的分辨率应该在一个单独的m-比特的水平上，独立于任何与相邻m-比特的交互。类似于内存访问，读取或物理加载m-比特不应该改变其状态。

鉴于以上要求，研究者的m-比特设计(图1a)包括：(i)具有两种几何状态的双稳态弹性圆锥壳；(ii)驱动外壳的磁盖；(iii)两组自然弯曲的柱子；(iv)放大两种状态的机械特性差异的两个塞子，以及(v)上盖。每m-比特为立方体，边长l = 30mm。使用乙烯基聚硅氧烷(VPS)与钕铁硼颗粒混合的弹性体复合材料铸造磁帽，随后对其进行磁化。所有其他部件都是使用纯VPS铸造的。m-比特是在ON状态下制作的。这里，研究者将“编程”称为切换双稳壳的两种稳定平衡，这是通过两个电磁线圈和锥壳上的磁帽之间的相互作用来实现的(图1b)。

在此，研究者的设计包括一个物理二进制元素数组(m-比特)，类似于数字位，具有清晰描述的写入和读取阶段。每一个m-比特都可以独立且可逆地在两种稳定状态之间切换(充当记忆体)，利用磁驱动在一个双稳定壳层的平衡之间移动。在变形状态下，每一种状态都有明显不同的机械响应，这是完全弹性的，可以可逆循环，直到系统重新编程。将一组二进制指令编码到平铺阵列上会产生明显不同的力学性能；具体来说，刚度和强度可以达到一个数量级的范围。

图1 单个m-比特的设计、编程和机械响应。

图2 单个m-比特压缩下的机械响应。

图3 单个m-比特的编程。

图4 m-比特矩形6×6数组在压缩下的力学响应。

不同组合的力-位移行为(图4a)揭示了开关状态之间的插值，从而实现了机械响应的微调。根据编程模式，在载荷下可以实现质的不同的机械响应，但整个变形仍然保持弹性。研究者进一步量化了数组的机械反应，作为单个m-比特，研究者定义刚度系数k,(线性部分的斜率曲线在图4)和2%的力量,σ_2%(之间的交叉线σ= k(ε- 0.02)和2%的力-位移曲线)。当更多的m-比特从OFF状态切换到ON状态时(图4b)，发现k值随处于ON状态的m-比特的百分比，ξ值接近线性增加。

综上所述，研究者演示了一种其功能可以根据需要重新编程的超材料。基于动态材料的可编程性的概念，会引起一系列的研究活动，包括对专业机械可调性的优化以及更广泛意义上的可编程超材料的优化。首先，可以演示基于材料的控制，通过构造一个从输出行为到输入状态的反馈回路。其次，可以利用拓扑优化类型的方法实时生成空间异构性。第三，使用亚微米尺度的先进3D打印技术，并使用多种材料的畴对齐细丝，这种超材料的微型化是可以实现的，因为其潜在的物理机制(即有限弹性和屈曲失稳)是尺度不变的。最后，最近大量关于设计师物质的研究工作可以用于可重编程，这导致了新一代的超材料，可以根据需要改变其属性，如剪切刚度和弯曲刚度、摩擦系数、泊松比、波传播特性和体积膨胀系数等。（文：水生）