?超材料,作為一種非自然生成的材料,其機械性能源于結(jié)構(gòu)設(shè)計,而非化學成分。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)。在過去的20年中,科學家們一直在致力于超材料的開發(fā)。

傳統(tǒng)的力學超材料通過其單胞的設(shè)計優(yōu)化以實現(xiàn)目標泊松比或形狀轉(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,想要在超材料中實現(xiàn)可重編程特性(即類似于硬盤驅(qū)動器中每個存儲單元可根據(jù)需要進行0←→1轉(zhuǎn)變的這種實時切換特性),仍然存在困難。

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

具體來說,研究人員通過使用一種可平鋪的力學超構(gòu)材料的設(shè)計框架克服了這一挑戰(zhàn),該材料在單胞級具有穩(wěn)定記憶特性。設(shè)計結(jié)構(gòu)包括一組物理二進制元素(m位),類似于數(shù)字位,并清楚地描述了寫入和讀取階段。每個m位都可以使用磁驅(qū)動在雙穩(wěn)態(tài)殼的平衡之間移動,從而在兩個穩(wěn)定狀態(tài)(充當內(nèi)存)之間獨立且可逆地切換。

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

可編程超材料與硬盤驅(qū)動器非常相似,也包含可以實時寫入和讀取的“數(shù)據(jù)位”。可編程超材料中的晶格又被稱為“m比特”,當它被打開時,會讓材料變得堅硬,而當m比特被關(guān)閉時,材料又會變得很靈活。此外,研究人員還可以對各種開關(guān)組合進行“編程”,使材料在特定時間能達到所需的機械性能。

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