在自然界中，生物材料能夠根據不同的外界刺激動態地重構其內部結構，進而展現出非凡的能力。例如，可重構的蛋白質組裝以及細胞膜的融合與分裂。同樣，具有動態鍵合特性的合成聚合物也能透過鍵的重構展現出獨特的性質，例如自我修復和可回收性。這些轉變的本質在於分子間鍵的動態形成與斷裂。然而，相比之下，力學超材料儘管已經發展數十年，卻很少能夠實現動態可重構。它們一旦被加工製備，其組成元胞間的連線方式就被固定，無法透過外界激勵動態改變，限制了其可重構性以及在不同工況下的適應性。這引出了一個問題：能否賦予力學超材料類似生物材料和聚合物的動態鍵重構能力，從而實現其結構可重構、效能可調控、功能多樣化的能力呢？
針對上述問題和挑戰，新加坡南洋理工大學王一凡教授團隊提出了一種基於可調雙穩態（tunable bistability）的顆粒力學超材料（圖1）。該材料能夠透過機械壓縮和熱刺激，實現顆粒間連線鍵的動態形成與斷裂，從而使顆粒力學超材料在離散和組裝兩種狀態之間轉變。利用這一特點，我們展示了該材料的自適應可重構變形，力學效能的可調控，以及定向移動、物體捕獲和跨越間隙等多種群體行為。他們的研究成果發表在《Science Advances》期刊上，題為“Granular metamaterials with dynamic bond reconfiguration”。
圖1：鍵重構顆粒力學超材料
研究團隊利用多材料3D列印技術，開發出由插銷（Insertion pin）和夾片（Receiving clip）構成的雙材料結構顆粒（圖2）。如影片1所示，當顆粒互相壓縮時，插銷與夾片會自動配對，夾片變形並鎖定插銷，形成穩定的機械鍵；加熱時，由溫度響應材料PLA製成的插銷軟化，導致對夾片的邊界約束減弱，夾片釋放其變形能，將插銷彈出，機械鍵斷裂，顆粒恢復到未組裝狀態。藉助該特性，顆粒超材料能夠在離散和組裝兩種狀態之間靈活切換。
影片1：機械鍵的可重構
圖2：可重構鍵的力學效能
利用顆粒力學超材料離散化的特點，研究團隊展示其在多維度結構組裝中的自適應性以及魯棒性。如影片2所示，從一維線性結構到二維平面組合，再到三維彎曲曲面，顆粒力學超材料透過簡單的壓縮，能夠在不同外部條件和容器形狀下自發組裝成穩定結構。無論是直線、S形、U形，還是複雜的組裝形態，其都展示出對外界條件的高度適應性。這種靈活性源於其顆粒單元的自適應匹配，無需精確定位即可實現穩定連線。其內在魯棒性確保即使在初始排列和載入條件存在差異的情況下，整體結構仍具備可靠性和功能性。
影片2：顆粒力學超材料的成鍵過程
基於顆粒力學超材料的動態鍵重構能力，研究團隊展示了一種利用熱刺激實現精準控制的非接觸式斷鍵與離散方法（圖3）。藉助顆粒中夾片的可調雙穩態特性，超材料在加熱後可由穩定的組裝狀態轉變為離散顆粒結構。透過定點加熱逐步觸發顆粒的彈射，驗證了熱刺激下的可控斷鍵過程。此外，研究進一步引入不同熱響應材料（如PETG），透過調控溫度依次斷開不同型別的連線鍵，實現從整體結構到子結構再到單顆粒的多步離散過程。這種非接觸式的熱刺激斷鍵方法不僅高效且適用於複雜系統，尤其在機械拆解不現實的情況下展現出顯著優勢。該方法具有良好的可擴充套件性，即使在系統微型化後，仍能保持精確控制。
圖3：顆粒力學超材料的解離過程
影片3：顆粒力學超材料的解離過程
研究團隊深入探討了顆粒超材料在組裝與未組裝狀態下的力學效能差異，重點分析了其在壓縮、剪下和彎曲條件下的響應（圖4）。實驗結果表明，組裝狀態下的顆粒超材料透過內部鍵的形成實現了顯著增強的剛度與承載能力。例如，組裝狀態的壓縮模量約為未組裝狀態的6.5倍，表現出顯著的抗壓效能。在剪下測試中，組裝狀態能夠抵抗更高的剪下應變，而未組裝顆粒僅表現為顆粒間相對旋轉。研究表明，顆粒超材料能夠透過狀態轉換實現力學效能的切換，為開發針對特定需求設計的高效能材料提供了全新思路。
圖4：顆粒力學超材料的力學效能
研究團隊進一步引入帶驅動模組的主動顆粒，實現了顆粒力學超材料的群體行為（圖5）。單個主動顆粒內建電機、輪子和微控制器，可實現順時針或逆時針的簡單圓周運動。然而，當主動顆粒與被動顆粒組合為一體後，可實現更高階的群體行為，能夠完成複雜的定向運動、物體捕獲、跨越障礙以及多工協同操作。透過壓縮組裝，結構可以根據任務需求形成特定形狀，並在完成任務後透過熱刺激實現解組。組裝後，顆粒間相對位置的固定配置設計增強了系統的結構完整性和穩定性，同時簡化了控制策略，為實現智慧機器人和複雜操作中的自適應行為提供了高效的解決方案。
圖5：顆粒力學超材料的群體行為
影片4：顆粒力學超材料的群體行為
本研究透過創新設計和系統實驗，實現了顆粒力學超材料在組裝與解離過程中的動態適應性和多功能性。未來，這種顆粒力學超材料有望在智慧機器人、自適應建築和柔性電子等領域開闢新的應用方向。透過進一步整合多種響應機制（如磁響應、電響應）並提升微型化製造技術，其功能性和實用性將得到進一步增強，為推動下一代智慧材料與系統的開發提供重要支援。
新加坡南洋理工大學王一凡教授為論文通訊作者，孟志強博士為論文第一作者。論文的合作者為美國加州理工學院博士生顏湖傑（清華大學錢學森力學班2022屆本科畢業生）。
作者介紹：
新加坡南洋理工大學王一凡教授課題組長期致力於研究新型的3D列印技術以及功能化結構材料，並開發其在軟體機器人領域和人體外骨骼領域的應用（課題組主頁：https://www.yifanwangntu.com/）。王一凡教授於2020年至今擔任新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院南洋助理教授（Nanyang Assistant Professor, 為該校授予傑出青年教授的職位）。王教授於2017-2020年在加州理工學院機械與土木工程系從事博士後研究，2011-2016年在芝加哥大學物理系獲得物理學博士學位，2007-2011年於北京大學物理系獲得物理學士學位。王教授已在領域內頂級期刊發表多篇重要文章，其中包括Nature、Science Robotics、Physical Review Letters、Nature Materials、Matter、ACS Nano、Advanced Materials、Small、Extreme Mechanics Letters等。
課題組長期招收超材料以及軟體機器人相關的博士生，博士後，（請聯絡：Yifan Wang，[email protected]）。離散結構化超材料以及其在軟體機器人領域的應用的研究才剛剛開始，星辰大海是我們的征途，希望更多有志向的年輕人加入這個有趣的方向，一起書寫新的篇章。
來源：高分子科學前沿
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