万能的“乐高体素” 学术资讯

当地时间11月18日，美国麻省理工学院比特和原子中心的研究人员在《科学进展》杂志中发文，阐述了一种可以形成超材料的微型构筑块（体素）。每种体素都表现出了普通天然材料不具备的特殊性质，而其构成的材料也可以展现多种机械特性。

微型构筑块有望用于组装各种各样具有内置功能的物件，包括车辆、大型工业部件或专用机器人。而由其拼合制造的设备能以可预测的方式对环境刺激作出反应，例如：飞机机翼或涡轮叶片可通过形状改变来应对气压或风速的变化。

超材料体素由注射成型的聚合物平面框架块组装而成，随后，它们再聚集形成三维形态，这些三维形态可以连接形成更大的功能结构。它们大多具有开放空间，因此能够形成极轻但具有刚性的结构。

除了基本的刚性单元，这些超材料体素还有其他3种变体，每一种都有不同寻常的特性：“拉胀”体素构成的立方体在被压缩时，不会从侧面凸出，反而向内凹陷；“柔性”体素的泊松比为零，当材料被压缩时，侧面完全不会产生形变；“手性”体素可以通过扭转运动响应轴向压缩或拉伸。

研究人员Neil Gershenfeld说：“我们首次通过单一系统展示了所有特性。”

为展示这种“类乐高”体素在现实世界中的应用潜力，Gershenfeld团队与丰田工程师合作制造了一辆超性能赛车。

研究人员Benjamin Jenett说：“我们只需要一个月时间就能（用体素）组装出轻质高性能结构。如果用传统的玻璃纤维制造类似结构，则需要花上一年左右的时间。”

在演示实验中，因街道湿滑，赛车撞在了障碍物上。令人惊讶的是，这辆车的网状内部结构产生形变后又发生反弹，从而吸收了冲击力，因此赛车几乎没有损坏。

Gershenfeld补充道：“在这辆赛车中，除了马达和电源，所有部件都是由这些‘乐高’体素组装的。”这证明，这些微小的建材确实可以用来制造适应人类使用的功能设备。

除此之外，“超材料体素也有望在同一设备中实现不同特性的混合，”Gershenfeld说，例如：机器人常以“硬/软”特性被划分，使用体素构建的机器人可以同时实现软性及硬性。

除了成本低廉、兼容性良好之外，这种超材料体素还有其他关键优势。Jenett说：“体素组成的大型结构的行为方式与体素本身相同。把这些部件组装在一起时，‘关节’仿佛消失了，它们的表现与连续、完整的材料别无二致。”

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编译：德克斯特

审稿：西莫

责编：陈之涵

期刊来源：《科学进展》

期刊编号：2375-2548

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万能的“乐高体素”