超材料通過其底層結(jié)構(gòu)布局的幾何排列，來實現(xiàn)奇異的物理特性。傳統(tǒng)的力學(xué)超材料，通過單胞優(yōu)化實現(xiàn)目標(biāo)泊松比或形態(tài)變換等功能，通常具有空間異質(zhì)性。這些功能，以一種無法改變的方式，編程到超材料的布局中。

盡管人們已經(jīng)努力去探索，可在制造后調(diào)整這些特性的方法，但它們?nèi)詻]有表現(xiàn)出類似于數(shù)字設(shè)備的其中每個單元，都可以根據(jù)需要實時地寫入或讀取（如硬盤驅(qū)動器）的機械可重編程性。

近日，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Mark Pauly & Pedro M. Reis等研究者，通過使用一種具有單元級穩(wěn)定記憶的，平鋪機械超材料的設(shè)計框架克服了上述挑戰(zhàn)。相關(guān)論文以題為“A reprogrammable mechanical metamaterial with stable memory”發(fā)表在Nature上。更多精彩專業(yè)視頻，請關(guān)注抖音賬號：材料科學(xué)網(wǎng)。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-03123-5

穩(wěn)定地改變以材料為基礎(chǔ)的系統(tǒng)的力學(xué)行為能力是非常重要的。在這里，研究者受成熟的技術(shù)啟發(fā)，確定了這樣一個系統(tǒng)的必要功能。例如，硬盤驅(qū)動器通過對磁性介質(zhì)的讀寫來存儲數(shù)據(jù)，而且每個比特都有兩種可可逆磁化的狀態(tài)。另一個例子是，液晶顯示器中的像素級偏振隨著所施加的電壓的比例不斷被重新編程。

在研究者提出的超材料中，每個m-比特在制造上是相同的，并且可以周期性地平鋪，具有以下核心要求。首先，正如一個數(shù)字位可以支持多次重寫，一個m比特在編程過程中的狀態(tài)變化必須是彈性的（可逆的）。其次，像在非易失性存儲中一樣，通過寫入引起的狀態(tài)變化必須是無限穩(wěn)定的。第三，編程的分辨率應(yīng)該在一個單獨的m-比特的水平上，獨立于任何與相鄰m-比特的交互。類似于內(nèi)存訪問，讀取或物理加載m-比特不應(yīng)該改變其狀態(tài)。

鑒于以上要求，研究者的m-比特設(shè)計（圖1a）包括：（i）具有兩種幾何狀態(tài)的雙穩(wěn)態(tài)彈性圓錐殼；（ii）驅(qū)動外殼的磁蓋；（iii）兩組自然彎曲的柱子；（iv）放大兩種狀態(tài)的機械特性差異的兩個塞子，以及（v）上蓋。每m-比特為立方體，邊長l = 30mm。使用乙烯基聚硅氧烷（VPS）與釹鐵硼顆粒混合的彈性體復(fù)合材料鑄造磁帽，隨后對其進行磁化。所有其他部件都是使用純VPS鑄造的。m-比特是在ON狀態(tài)下制作的。這里，研究者將“編程”稱為切換雙穩(wěn)殼的兩種穩(wěn)定平衡，這是通過兩個電磁線圈和錐殼上的磁帽之間的相互作用來實現(xiàn)的（圖1b）。

在此，研究者的設(shè)計包括一個物理二進制元素數(shù)組（m-比特），類似于數(shù)字位，具有清晰描述的寫入和讀取階段。每一個m-比特都可以獨立且可逆地在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間切換（充當(dāng)記憶體），利用磁驅(qū)動在一個雙穩(wěn)定殼層的平衡之間移動。在變形狀態(tài)下，每一種狀態(tài)都有明顯不同的機械響應(yīng)，這是完全彈性的，可以可逆循環(huán)，直到系統(tǒng)重新編程。將一組二進制指令編碼到平鋪陣列上會產(chǎn)生明顯不同的力學(xué)性能；具體來說，剛度和強度可以達到一個數(shù)量級的范圍。

圖1 單個m-比特的設(shè)計、編程和機械響應(yīng)。

圖2 單個m-比特壓縮下的機械響應(yīng)。

圖3 單個m-比特的編程。

圖4 m-比特矩形6×6數(shù)組在壓縮下的力學(xué)響應(yīng)。

不同組合的力-位移行為（圖4a）揭示了開關(guān)狀態(tài)之間的插值，從而實現(xiàn)了機械響應(yīng)的微調(diào)。根據(jù)編程模式，在載荷下可以實現(xiàn)質(zhì)的不同的機械響應(yīng)，但整個變形仍然保持彈性。研究者進一步量化了數(shù)組的機械反應(yīng)，作為單個m-比特，研究者定義剛度系數(shù)k,（線性部分的斜率曲線在圖4）和2%的力量，σ2%（之間的交叉線σ= k（ε- 0.02）和2%的力-位移曲線）。當(dāng)更多的m-比特從OFF狀態(tài)切換到ON狀態(tài)時（圖4b），發(fā)現(xiàn)k值隨處于ON狀態(tài)的m-比特的百分比，ξ值接近線性增加。

綜上所述，研究者演示了一種其功能可以根據(jù)需要重新編程的超材料。基于動態(tài)材料的可編程性的概念，會引起一系列的研究活動，包括對專業(yè)機械可調(diào)性的優(yōu)化以及更廣泛意義上的可編程超材料的優(yōu)化。首先，可以演示基于材料的控制，通過構(gòu)造一個從輸出行為到輸入狀態(tài)的反饋回路。其次，可以利用拓撲優(yōu)化類型的方法實時生成空間異構(gòu)性。第三，使用亞微米尺度的先進3D打印技術(shù)，并使用多種材料的疇對齊細絲，這種超材料的微型化是可以實現(xiàn)的，因為其潛在的物理機制（即有限彈性和屈曲失穩(wěn)）是尺度不變的。最后，最近大量關(guān)于設(shè)計師物質(zhì)的研究工作可以用于可重編程，這導(dǎo)致了新一代的超材料，可以根據(jù)需要改變其屬性，如剪切剛度和彎曲剛度、摩擦系數(shù)、泊松比、波傳播特性和體積膨脹系數(shù)等。