陈根：未止步的超材料，可编程的机械未来

文/陈根

超材料，作为一种非自然生成的材料，其机械性能源于结构设计，而非化学成分。研究人员可以利用超材料制造出具有特定属性和形状的结构。在过去的20年中，科学家们一直在致力于超材料的开发。

传统的力学超材料通过其单胞的设计优化以实现目标泊松比或形状转换等功能，通常具有空间异质性。这些功能常以无法改变的方式被“编程”到超材料的阵列中，想要在超材料中实现可重编程特性（即类似于硬盘驱动器中每个存储单元可根据需要进行0←→1转变的这种实时切换特性），仍然存在困难。

现在，据英国《自然》期刊在线版日前发表的一项研究，瑞士科学家团队成功研发出一种可以写入、存储并读取以机械形式编码数据的技术。正如硬盘给计算机系统带来的革命性巨变，这种机械式编码超材料将能让柔性机器人、工程材料进入全新的发展阶段，并将广泛助力于需要远程调制设备结构参数的领域。

具体来说，研究人员通过使用一种可平铺的力学超构材料的设计框架克服了这一挑战，该材料在单胞级具有稳定记忆特性。设计结构包括一组物理二进制元素（m位），类似于数字位，并清楚地描述了写入和读取阶段。每个m位都可以使用磁驱动在双稳态壳的平衡之间移动，从而在两个稳定状态（充当内存）之间独立且可逆地切换。

设计的超材料由硅和磁粉制成，它的复杂结构使其具备机械性能可变性。结构中的每个“晶格”都扮演了电子开关的角色。人们可以通过施加磁场激活或抑制单个晶格。这改变了超材料的内部状态，进而改变了它的力学性能。

可编程超材料与硬盘驱动器非常相似，也包含可以实时写入和读取的“数据位”。可编程超材料中的晶格又被称为“m比特”，当它被打开时，会让材料变得坚硬，而当m比特被关闭时，材料又会变得很灵活。此外，研究人员还可以对各种开关组合进行“编程”，使材料在特定时间能达到所需的机械性能。

一直以来，用超材料存储和提取非易失性数据的目标都是“难以捉摸”的状态。而此次成果为超材料工具集带来了值得关注的扩展。这一设计中超材料的记忆稳定性和按需重新编程的特性将促进先进力学超材料的发展，也为未来直接处理数据、执行计算和学习的材料打开了一扇大门。