?超材料,作為一種非自然生成的材料,其機(jī)械性能源于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),而非化學(xué)成分。研究人員可以利用超材料制造出具有特定屬性和形狀的結(jié)構(gòu)。在過(guò)去的20年中,科學(xué)家們一直在致力于超材料的開(kāi)發(fā)。

傳統(tǒng)的力學(xué)超材料通過(guò)其單胞的設(shè)計(jì)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)泊松比或形狀轉(zhuǎn)換等功能,通常具有空間異質(zhì)性。這些功能常以無(wú)法改變的方式被“編程”到超材料的陣列中,想要在超材料中實(shí)現(xiàn)可重編程特性(即類似于硬盤驅(qū)動(dòng)器中每個(gè)存儲(chǔ)單元可根據(jù)需要進(jìn)行0←→1轉(zhuǎn)變的這種實(shí)時(shí)切換特性),仍然存在困難。

現(xiàn)在,據(jù)英國(guó)《自然》期刊在線版日前發(fā)表的一項(xiàng)研究,瑞士科學(xué)家團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種可以寫(xiě)入、存儲(chǔ)并讀取以機(jī)械形式編碼數(shù)據(jù)的技術(shù)。正如硬盤給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)帶來(lái)的革命性巨變,這種機(jī)械式編碼超材料將能讓柔性機(jī)器人、工程材料進(jìn)入全新的發(fā)展階段,并將廣泛助力于需要遠(yuǎn)程調(diào)制設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)的領(lǐng)域。

具體來(lái)說(shuō),研究人員通過(guò)使用一種可平鋪的力學(xué)超構(gòu)材料的設(shè)計(jì)框架克服了這一挑戰(zhàn),該材料在單胞級(jí)具有穩(wěn)定記憶特性。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括一組物理二進(jìn)制元素(m位),類似于數(shù)字位,并清楚地描述了寫(xiě)入和讀取階段。每個(gè)m位都可以使用磁驅(qū)動(dòng)在雙穩(wěn)態(tài)殼的平衡之間移動(dòng),從而在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)(充當(dāng)內(nèi)存)之間獨(dú)立且可逆地切換。

設(shè)計(jì)的超材料由硅和磁粉制成,它的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使其具備機(jī)械性能可變性。結(jié)構(gòu)中的每個(gè)“晶格”都扮演了電子開(kāi)關(guān)的角色。人們可以通過(guò)施加磁場(chǎng)激活或抑制單個(gè)晶格。這改變了超材料的內(nèi)部狀態(tài),進(jìn)而改變了它的力學(xué)性能。

可編程超材料與硬盤驅(qū)動(dòng)器非常相似,也包含可以實(shí)時(shí)寫(xiě)入和讀取的“數(shù)據(jù)位”。可編程超材料中的晶格又被稱為“m比特”,當(dāng)它被打開(kāi)時(shí),會(huì)讓材料變得堅(jiān)硬,而當(dāng)m比特被關(guān)閉時(shí),材料又會(huì)變得很靈活。此外,研究人員還可以對(duì)各種開(kāi)關(guān)組合進(jìn)行“編程”,使材料在特定時(shí)間能達(dá)到所需的機(jī)械性能。

一直以來(lái),用超材料存儲(chǔ)和提取非易失性數(shù)據(jù)的目標(biāo)都是“難以捉摸”的狀態(tài)。而此次成果為超材料工具集帶來(lái)了值得關(guān)注的擴(kuò)展。這一設(shè)計(jì)中超材料的記憶穩(wěn)定性和按需重新編程的特性將促進(jìn)先進(jìn)力學(xué)超材料的發(fā)展,也為未來(lái)直接處理數(shù)據(jù)、執(zhí)行計(jì)算和學(xué)習(xí)的材料打開(kāi)了一扇大門。