借助不可定向物体 科学家揭开超材料机械记忆的秘密

3D 打印的莫比乌斯带（左）和奇数元环（右）。这两个都是不可定向物体，沿环必然有一个点不会变形。资料来源：Xiaofei Guo

这些成果是超材料领域的一个突破：设计材料的反应是由其结构而不是化学成分决定的。为了构建具有机械记忆的超材料，物理学家郭晓飞、马塞洛-古斯曼、大卫-卡朋蒂埃、丹尼斯-巴托洛和科伦廷-库莱斯意识到，超材料的设计需要"挫折"，而这种挫折对应于一种新型秩序，他们称之为非定向秩序。

扭曲的物理学

不可定向物体的一个简单例子是莫比乌斯带，其制作方法是：取一条材料带，在上面加半捻，然后将其两端粘在一起。您可以在家里用纸条尝试一下。用手指沿着莫比乌斯带的表面走，你会发现当你回到起点时，你的手指会在纸的另一面。

莫比乌斯带是不可定向的，因为无法以一致的方式标记莫比乌斯带的两面；扭曲使整个表面成为一个整体。这与简单的圆柱体（没有任何扭曲的条带，两端粘在一起）形成鲜明对比，后者有明显的内表面和外表面。

郭和她的同事意识到，这种不定向性会强烈影响物体或超材料对推挤的反应。如果把一个简单的圆柱体和一个莫比乌斯带放在一个平面上，然后从上往下按压，你会发现圆柱体的侧面会全部凸出（或凹进去），而莫比乌斯带的侧面却不会这样。相反，莫比乌斯带的不可定向性确保了莫比乌斯带在受压时不会变形。

三维打印的莫比乌斯带（上）和两个奇数元片（中、下）。这些都是不可定向的物体，沿环必然有一个点不会变形。图片来源：Xiaofei Guo

令人兴奋的是，这种行为远远超出了莫比乌斯带。"我们发现，莫比乌斯带等不可定向物体的行为允许我们描述任何全局受挫的材料。这些材料自然希望是有序的，但它们结构中的某些东西禁止有序跨越整个系统，并迫使有序模式在空间的某一点或某一线消失。"阿姆斯特丹大学机械材料实验室负责人库莱斯解释说："如果不切断结构，就无法消除这个消失点，因此无论如何它都必须存在。"

以此为灵感设计机械超材料

研究团队设计并用三维打印了他们自己的机械超材料结构，这种结构表现出与莫比乌斯带相同的受挫和不可定向行为。他们的设计基于四角用铰链连接的方形环。当这些环受到挤压时，相邻的正方形会向相反的方向旋转，从而使它们的边缘靠得更近。相邻方的反向旋转使系统的反应类似于某些磁性材料中出现的反铁磁有序现象。

由奇数个正方形组成的圆环是受挫的，因为所有相邻的正方形都无法向相反的方向旋转。因此，挤压后的奇数环表现出不可定向有序性，在这种情况下，环上某一点的旋转角度必须为零。

作为材料整体形状的一个特征，这使其成为一种稳健的拓扑特性。通过将多个元环连接在一起，甚至可以模拟克莱因瓶等高维拓扑结构的力学特性。

具有机械记忆的超材料

拥有强制零变形点或零变形线是赋予材料机械记忆的关键，可以在不同的点上按压超材料环，而不是从四面八方挤压。这样，按压不同点的顺序将决定零变形点或零变形线的最终位置。

这是一种存储信息的形式，它甚至可以用来执行某些类型的逻辑门，这是任何计算机算法的基础。因此，一个简单的超材料环就能发挥机械计算机的功能。

除了力学之外，研究结果还表明，非定向性可能是超材料的一个强大的设计原则，它可以在胶体科学、光子学、磁学和原子物理学等不同领域有效地跨尺度存储信息，它甚至可以用于新型量子计算机。

库莱斯总结道："下一步，我们希望将消失变形的稳健性用于机器人技术。我们相信，消失变形可用于制造具有可预测弯曲和运动机制的机械臂和轮。"

编译来源：ScitechDaily