力學(xué)超材料“體素”賽車問世　未來超大型結(jié)構(gòu)件的全新方向

近日，MIT團(tuán)隊與豐田合作的超里程汽車，撞上障礙物幾乎無損壞。他們在今年的一次國際機(jī)器人會議進(jìn)行了演示。

研究人員表示，他們只用了一個月的時間就組裝出了輕量化、高性能的結(jié)構(gòu)，而之前用傳統(tǒng)的玻璃纖維結(jié)構(gòu)方法建造一個類似的結(jié)構(gòu)需要一年的時間。

在展示過程中，賽道因下雨而變得濕滑，賽車最終撞上了障礙物。出乎所有人意料的是，賽車網(wǎng)格狀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變形，然后反彈，吸收了沖擊力，幾乎沒有損壞。研究人員說，如果是傳統(tǒng)的采用金屬材質(zhì)的汽車，很可能會嚴(yán)重凹陷，如果是復(fù)合材料，則會被撞得粉碎。

體素是一種超材料，就像更高階版本的樂高一樣，由注塑聚合物的平面框架件制成，然后制造成三維形狀，可以組合成更大的結(jié)構(gòu)。

研究者基于有限集的模塊化、和大批量零件離散裝配，提出一個機(jī)械超材料的構(gòu)造系統(tǒng)。

這輛汽車生動地展示了一個事實(shí)，即體素（voxels）確實(shí)可以用來制造可用的設(shè)備。而且這輛汽車除了電機(jī)和電源之外，其余零件都是由體素組成的

當(dāng)體素連接在一起時，提供了一個輕量、但剛性的框架。除了標(biāo)準(zhǔn)的剛性體素（灰色），提供特殊強(qiáng)度和重量組合，還有其他三種體素迭代版本。

“順應(yīng)性”體素（“compliant”voxels，紫色）：洎松比（橫向變形系數(shù)）為零，在壓縮時不會出現(xiàn)側(cè)面變形。以往的已知材料很少表現(xiàn)出這種特性。

“拉脹性”體素（“auxetic”voxels，橙色）：立方體材料在被壓縮時不是從兩邊凸出，而是向內(nèi)凸起。這是首次展示通過傳統(tǒng)和廉價的制造方法來生產(chǎn)這種材料。

“手性”體素（“chiral”voxels，藍(lán)色）：在受到軸向壓縮或拉伸時會出現(xiàn)扭曲反應(yīng)。這也是一種不同尋常的特性。去年，研究人員通過復(fù)雜的制造技術(shù)生產(chǎn)出一種類似材料。現(xiàn)在，通過這項研究，可以很容易地從宏觀層面實(shí)現(xiàn)材料性能。

因為這些體素的大小和組成都是統(tǒng)一的，所以可以用任何需要的方式進(jìn)行組合，為最終的設(shè)備提供不同的功能。

以上證明，量產(chǎn)體素可以類似樂高的方式構(gòu)建出大型物體，該汽車由麻省理工學(xué)院（MIT）比特和原子研究中心的科學(xué)家與豐田公司的工程師合作。

據(jù)悉，MIT比特和原子研究中心的科學(xué)家們，提出了一個基于有限部分離散裝配的機(jī)械超材料構(gòu)造系統(tǒng)，通過一系列微型聚合物材料，這種類似“積木”的微型構(gòu)建基塊，表現(xiàn)出了一些非常獨(dú)特的機(jī)械性能，比如在受到擠壓時能夠表現(xiàn)出扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。

這些材料可以通過機(jī)器人設(shè)備加工，組合各種具有綜合功能的結(jié)構(gòu)，比如汽車、大工業(yè)零件或可以反復(fù)組裝成不同形態(tài)的專用機(jī)器人。這項研究有望徹底改變超輕、材料節(jié)約型結(jié)構(gòu)的成本、可定制性和機(jī)能效率。

這些子單元可以被機(jī)器人組裝成大型復(fù)雜的物體，包括汽車、機(jī)器人或風(fēng)力渦輪機(jī)葉片

江大學(xué)研究團(tuán)隊的超材料的“隱身”裝置的效果

研究人員將這種新型材料稱為“力學(xué)超材料”，研究人員創(chuàng)造了四種不同類型的機(jī)械元材料子單元，被稱為體素（Voxels，二維圖像像素Pixel的三維化），并以它們在二維圖像像素上的三維變化命名。

每一種體素模型都顯示出傳統(tǒng)天然材料中看不到的特性，結(jié)合使用，可以直接生產(chǎn)對環(huán)境刺激作出反應(yīng)的設(shè)備。相關(guān)用途包括通過改變其整體形狀而對氣壓變化或風(fēng)速敏感的飛機(jī)機(jī)翼或渦輪葉片。

超材料提供奇異特性

材料是我們?nèi)粘Ｉ钪械摹俺？汀保缃饘俨牧稀⑻沾刹牧稀⒏叻肿硬牧稀⒛举|(zhì)材料、復(fù)合材料等。但如果說到超材料（metamaterials），恐怕大家會一頭霧水吧？

超材料是指具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，比如隱身衣是近年來出鏡率比較高的超材料應(yīng)用，此外還有電磁超材料、左手材料、光子晶體和非正定介質(zhì)等，聽起來都非常“科幻”。