超材料通過(guò)其底層結(jié)構(gòu)布局的幾何排列，來(lái)實(shí)現(xiàn)奇異的物理特性。傳統(tǒng)的力學(xué)超材料，通過(guò)單胞優(yōu)化實(shí)現(xiàn)目標(biāo)泊松比或形態(tài)變換等功能，通常具有空間異質(zhì)性。這些功能，以一種無(wú)法改變的方式，編程到超材料的布局中。

盡管人們已經(jīng)努力去探索，可在制造后調(diào)整這些特性的方法，但它們?nèi)詻]有表現(xiàn)出類似于數(shù)字設(shè)備的其中每個(gè)單元，都可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)地寫入或讀取（如硬盤驅(qū)動(dòng)器）的機(jī)械可重編程性。

近日，來(lái)自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Mark Pauly & Pedro M. Reis等研究者，通過(guò)使用一種具有單元級(jí)穩(wěn)定記憶的，平鋪機(jī)械超材料的設(shè)計(jì)框架克服了上述挑戰(zhàn)。相關(guān)論文以題為“A reprogrammable mechanical metamaterial with stable memory”發(fā)表在Nature上。更多精彩專業(yè)視頻，請(qǐng)關(guān)注抖音賬號(hào)：材料科學(xué)網(wǎng)。

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

穩(wěn)定地改變以材料為基礎(chǔ)的系統(tǒng)的力學(xué)行為能力是非常重要的。在這里，研究者受成熟的技術(shù)啟發(fā)，確定了這樣一個(gè)系統(tǒng)的必要功能。例如，硬盤驅(qū)動(dòng)器通過(guò)對(duì)磁性介質(zhì)的讀寫來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而且每個(gè)比特都有兩種可可逆磁化的狀態(tài)。另一個(gè)例子是，液晶顯示器中的像素級(jí)偏振隨著所施加的電壓的比例不斷被重新編程。

在研究者提出的超材料中，每個(gè)m-比特在制造上是相同的，并且可以周期性地平鋪，具有以下核心要求。首先，正如一個(gè)數(shù)字位可以支持多次重寫，一個(gè)m比特在編程過(guò)程中的狀態(tài)變化必須是彈性的（可逆的）。其次，像在非易失性存儲(chǔ)中一樣，通過(guò)寫入引起的狀態(tài)變化必須是無(wú)限穩(wěn)定的。第三，編程的分辨率應(yīng)該在一個(gè)單獨(dú)的m-比特的水平上，獨(dú)立于任何與相鄰m-比特的交互。類似于內(nèi)存訪問，讀取或物理加載m-比特不應(yīng)該改變其狀態(tài)。

鑒于以上要求，研究者的m-比特設(shè)計(jì)（圖1a）包括：（i）具有兩種幾何狀態(tài)的雙穩(wěn)態(tài)彈性圓錐殼；（ii）驅(qū)動(dòng)外殼的磁蓋；（iii）兩組自然彎曲的柱子；（iv）放大兩種狀態(tài)的機(jī)械特性差異的兩個(gè)塞子，以及（v）上蓋。每m-比特為立方體，邊長(zhǎng)l = 30mm。使用乙烯基聚硅氧烷（VPS）與釹鐵硼顆粒混合的彈性體復(fù)合材料鑄造磁帽，隨后對(duì)其進(jìn)行磁化。所有其他部件都是使用純VPS鑄造的。m-比特是在ON狀態(tài)下制作的。這里，研究者將“編程”稱為切換雙穩(wěn)殼的兩種穩(wěn)定平衡，這是通過(guò)兩個(gè)電磁線圈和錐殼上的磁帽之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的（圖1b）。

在此，研究者的設(shè)計(jì)包括一個(gè)物理二進(jìn)制元素?cái)?shù)組（m-比特），類似于數(shù)字位，具有清晰描述的寫入和讀取階段。每一個(gè)m-比特都可以獨(dú)立且可逆地在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間切換（充當(dāng)記憶體），利用磁驅(qū)動(dòng)在一個(gè)雙穩(wěn)定殼層的平衡之間移動(dòng)。在變形狀態(tài)下，每一種狀態(tài)都有明顯不同的機(jī)械響應(yīng)，這是完全彈性的，可以可逆循環(huán)，直到系統(tǒng)重新編程。將一組二進(jìn)制指令編碼到平鋪陣列上會(huì)產(chǎn)生明顯不同的力學(xué)性能；具體來(lái)說(shuō)，剛度和強(qiáng)度可以達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍。

圖1 單個(gè)m-比特的設(shè)計(jì)、編程和機(jī)械響應(yīng)。

圖2 單個(gè)m-比特壓縮下的機(jī)械響應(yīng)。

圖3 單個(gè)m-比特的編程。

圖4 m-比特矩形6×6數(shù)組在壓縮下的力學(xué)響應(yīng)。

不同組合的力-位移行為（圖4a）揭示了開關(guān)狀態(tài)之間的插值，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械響應(yīng)的微調(diào)。根據(jù)編程模式，在載荷下可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)的不同的機(jī)械響應(yīng)，但整個(gè)變形仍然保持彈性。研究者進(jìn)一步量化了數(shù)組的機(jī)械反應(yīng)，作為單個(gè)m-比特，研究者定義剛度系數(shù)k,（線性部分的斜率曲線在圖4）和2%的力量，σ2%（之間的交叉線σ= k（ε- 0.02）和2%的力-位移曲線）。當(dāng)更多的m-比特從OFF狀態(tài)切換到ON狀態(tài)時(shí)（圖4b），發(fā)現(xiàn)k值隨處于ON狀態(tài)的m-比特的百分比，ξ值接近線性增加。

綜上所述，研究者演示了一種其功能可以根據(jù)需要重新編程的超材料。基于動(dòng)態(tài)材料的可編程性的概念，會(huì)引起一系列的研究活動(dòng)，包括對(duì)專業(yè)機(jī)械可調(diào)性的優(yōu)化以及更廣泛意義上的可編程超材料的優(yōu)化。首先，可以演示基于材料的控制，通過(guò)構(gòu)造一個(gè)從輸出行為到輸入狀態(tài)的反饋回路。其次，可以利用拓?fù)鋬?yōu)化類型的方法實(shí)時(shí)生成空間異構(gòu)性。第三，使用亞微米尺度的先進(jìn)3D打印技術(shù)，并使用多種材料的疇對(duì)齊細(xì)絲，這種超材料的微型化是可以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槠錆撛诘奈锢頇C(jī)制（即有限彈性和屈曲失穩(wěn)）是尺度不變的。最后，最近大量關(guān)于設(shè)計(jì)師物質(zhì)的研究工作可以用于可重編程，這導(dǎo)致了新一代的超材料，可以根據(jù)需要改變其屬性，如剪切剛度和彎曲剛度、摩擦系數(shù)、泊松比、波傳播特性和體積膨脹系數(shù)等。