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以一抵多:可重复“编程”的新型超材料

以一抵多:可重复“编程”的新型超材料
2021年01月23日 16:12 新浪网 作者 中国科技工作者之家

  在过去的20年中,科学家们一直在致力于超材料的开发。超材料是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。目前,超材料在日常生活中的应用还比较有限,但这种情况也许很快就会迎来转变。

  可以重编程的超材料

  当地时间1月20日,《自然》杂志发文称,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)柔性结构实验室(FSL)和几何计算实验室(GCL)博士后Tian Chen进一步推动了超材料研究——他领导开发了一种在制成后可重复调整力学性能的超材料。“材料在被制造出来之后,是否还能改变内部几何结构?”Chen说,“我们希望开发一种可以展现不同物理性能(如刚度和强度)的材料,这样用户就不必每次都更换材料。比方说,当你脚踝扭伤时,一开始必须戴一个硬夹板来固定脚踝。而当伤处愈合后,你又必须换上更柔软的夹板。我们设计的材料正是解决这样的痛点,让你不必再多次更换夹板。”

  研究人员Tian Chen

  Chen等人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。Chen解释:“你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。

  可编程超材料与采用复杂、高能耗电子机械装置的机器人非常相似。Chen希望在静态材料和机器之间找到最佳平衡点。FSL负责人Pedro Reis认为,Chen制造的超材料还有非常大的开发潜力。他说:“我们可以设计一种方法来创建三维结构,或者缩小规模,制造更微观的超材料。”

  新发现标志着超材料研究向前迈出了重要一步,因为这是科学家首次制造出真正可重复编程的机械超材料。它为诸多研究和尖端工业应用奠定了基础。

  科界原创

  编译:雷鑫宇

  审稿:西莫

  责编:陈之涵

  期刊来源:《自然》

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