?超材料,作為一種非自然生成的材料,其機械性能源于結構設計,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構。在過去的20年中,科學家們一直在致力于超材料的開發。

傳統的力學超材料通過其單胞的設計優化以實現目標泊松比或形狀轉換等功能,通常具有空間異質性。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可重編程特性(即類似于硬盤驅動器中每個存儲單元可根據需要進行0←→1轉變的這種實時切換特性),仍然存在困難。

現在,據英國《自然》期刊在線版日前發表的一項研究,瑞士科學家團隊成功研發出一種可以寫入、存儲并讀取以機械形式編碼數據的技術。正如硬盤給計算機系統帶來的革命性巨變,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展階段,并將廣泛助力于需要遠程調制設備結構參數的領域。

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

設計的超材料由硅和磁粉制成,它的復雜結構使其具備機械性能可變性。結構中的每個“晶格”都扮演了電子開關的角色。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部狀態,進而改變了它的力學性能。

可編程超材料與硬盤驅動器非常相似,也包含可以實時寫入和讀取的“數據位”。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據的目標都是“難以捉摸”的狀態。而此次成果為超材料工具集帶來了值得關注的擴展。這一設計中超材料的記憶穩定性和按需重新編程的特性將促進先進力學超材料的發展,也為未來直接處理數據、執行計算和學習的材料打開了一扇大門。