近日，MIT 團(tuán)隊(duì)與豐田合作的超里程汽車，撞上障礙物幾乎無(wú)損壞。他們?cè)诮衲甑囊淮螄?guó)際機(jī)器人會(huì)議進(jìn)行了演示。

研究人員表示，他們只用了一個(gè)月的時(shí)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(gè)類似的結(jié)構(gòu)需要一年的時(shí)間。

在展示過(guò)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(shuō)，如果是傳統(tǒng)的采用金屬材質(zhì)的汽車，很可能會(huì)嚴(yán)重凹陷，如果是復(fù)合材料，則會(huì)被撞得粉碎。

這輛汽車生動(dòng)地展示了一個(gè)事實(shí)，即體素（voxels）確實(shí)可以用來(lái)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。

體素是一種超材料，就像更高階版本的樂(lè)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(gè)機(jī)械超材料的構(gòu)造系統(tǒng)。

當(dāng)體素連接在一起時(shí)，提供了一個(gè)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）：泊松比（橫向變形系數(shù)）為零，在壓縮時(shí)不會(huì)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(shí)不是從兩邊凸出，而是向內(nèi)凸起。這是首次展示通過(guò)傳統(tǒng)和廉價(jià)的制造方法來(lái)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(shí)會(huì)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(guò)復(fù)雜的制造技術(shù)生產(chǎn)出一種類似材料?，F(xiàn)在，通過(guò)這項(xiàng)研究，可以很容易地從宏觀層面實(shí)現(xiàn)材料性能。

因?yàn)檫@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(lè)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(gè)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(guò)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(shí)能夠表現(xiàn)出扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

這些材料可以通過(guò)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(xiàng)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。

2020年 11 月 18 日發(fā)表在 Science 子刊Science Advances上的研究中，研究人員將這種新型材料稱為 “力學(xué)超材料”（mechanical metamaterials），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?cè)诙S圖像像素上的三維變化命名。同期該論文登上了Science Advances的封面。

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(duì)環(huán)境刺激作出反應(yīng)的設(shè)備。相關(guān)用途包括通過(guò)改變其整體形狀而對(duì)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?，如金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、木質(zhì)材料、復(fù)合材料等。但如果說(shuō)到超材料（metamaterials），恐怕大家會(huì)一頭霧水吧？

圖 |浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的超材料的“隱身”裝置的效果

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(lái)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(lái)都非?！翱苹谩?。

他們還通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了每種零件類型所需的超材料特性，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，展示出其他意想不到的有用特性。最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通過(guò)部件設(shè)計(jì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期連續(xù)體屬性，這樣局部機(jī)制就能控制全局行為。

此外，該團(tuán)隊(duì)還詳細(xì)描述了設(shè)計(jì)方法、生產(chǎn)過(guò)程、數(shù)值模擬和超材料行為的實(shí)驗(yàn)表征。設(shè)計(jì)方法得益于增量裝配，增量裝配是一種可消除規(guī)模限制的、可靠的、低成本部件生產(chǎn)實(shí)踐，它還能通過(guò)跨部件類型的一致裝配過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)可互換性。

圖 | 離散力學(xué)超材料子系統(tǒng)的描述和表征

論文合著者 Neil Gershenfeld 教授表示，他們所展示的每一種材料屬性，以前都是在各自的領(lǐng)域，人們會(huì)只寫那一種屬性的論文。這是第一次在一個(gè)單一系統(tǒng)中顯示所有這些屬性的東西。我們可以跨越各種材料屬性，而這些屬性之前一直被認(rèn)為是非常專用的。

關(guān)鍵是，不必選擇一種單一的屬性。例如，可以制造出在一個(gè)方向上彎曲，在另一個(gè)方向上堅(jiān)硬，并且只以某種方式移動(dòng)的機(jī)器人。所以，最大的變化就是這種跨越多種機(jī)械材料屬性的能力，在此之前，這些材料的屬性都是被單獨(dú)考慮的。比如汽車、機(jī)器人、船和飛機(jī)上所有的剛性部件和運(yùn)動(dòng)部件。而這次的研究成果讓我們可以用這一個(gè)系統(tǒng)跨越所有材料屬性。

“我們可以跨越廣泛的材料屬性，而這些屬性在之前一直被認(rèn)為是非常專業(yè)的，” Gershenfeld 說(shuō)?！瓣P(guān)鍵是，你不必選擇一種屬性。例如，你可以制造出在一個(gè)方向上彎曲，在另一個(gè)方向上僵硬，并且只能以某些方式移動(dòng)的機(jī)器人。因此，與我們之前的工作相比，最大的變化就是這種跨越多種機(jī)械材料屬性的能力，而在此之前，這些屬性都是被單獨(dú)考慮的?！?/p>

據(jù)主要研究合著者、MIT 博士畢業(yè)生 Benjamin Jenett 博士介紹，超材料系統(tǒng)的一個(gè)顯著好處是，僅由一種類型的體素組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)與單個(gè)子單元的作用完全相同。

“這些部件成本低，易于生產(chǎn)，組裝速度非常快，你可以在一個(gè)系統(tǒng)中獲得各種材料特性?！彼忉屨f(shuō)。“它們都是相互兼容的，所以有所有這些不同類型的屬性，都能在同一個(gè)可擴(kuò)展的、廉價(jià)的系統(tǒng)中很好地相互發(fā)揮。我們能夠證明，當(dāng)你將這些部件組裝在一起時(shí)，它表現(xiàn)為一個(gè)連續(xù)的、整體的材料?！?/p>

這些可變的體素有一個(gè)特別理想的應(yīng)用：為風(fēng)力渦輪機(jī)制造葉片。這將消除巨型葉片被運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)安裝的運(yùn)輸問(wèn)題。此外，由于葉片能夠拆解成可回收到其他產(chǎn)品和部件的組件體，渦輪葉片處理的環(huán)境污染和浪費(fèi)問(wèn)題也可能得到解決。

研究人員表示，有了這個(gè)低成本、可擴(kuò)展的系統(tǒng)，所以我們可以設(shè)計(jì)任何想要的東西，比如四足動(dòng)物機(jī)器人，游泳機(jī)器人，飛行機(jī)器人。這種靈活性是該系統(tǒng)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一。

美國(guó)軍方參與研究，未來(lái)或應(yīng)用于軍事領(lǐng)域

該研究團(tuán)隊(duì)包括MIT的 Filippos Tourlomousis、Alfonso Parra Rubio 和 Megan Ochalek，以及美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（U.S. Army Research Laboratory）的 Christopher Cameron。這項(xiàng)工作得到了美國(guó)宇航局 NASA、美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室和 MIT 比特和原子研究中心的支持。

這種獨(dú)特機(jī)械性能的材料連接起來(lái)新方法，事實(shí)上也為未來(lái)的軍事機(jī)器人提供了可能。例如，一群機(jī)器人可以形成一座橋，讓部隊(duì)過(guò)河。研究人員表示，這種能力將增強(qiáng)軍事機(jī)動(dòng)性和作戰(zhàn)人員及裝備的生存能力。

該論文涉及模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并介紹了一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將使陸軍能夠制造出各種具有獨(dú)特性能的機(jī)器人，如沖擊能量吸收。研究人員設(shè)計(jì)的材料展示了一系列令人驚訝和有用的特性，包括極端的剛度、韌性和位移與旋轉(zhuǎn)之間的獨(dú)特耦合。

未來(lái)，這項(xiàng)研究將使軟機(jī)器人、響應(yīng)式航空和水動(dòng)力結(jié)構(gòu)以及用戶定義的可編程材料等新興領(lǐng)域成為可能，從而進(jìn)一步融合未來(lái)工程系統(tǒng)的數(shù)字和物理方面。

原文標(biāo)題：力學(xué)超材料“體素”賽車問(wèn)世！MIT聯(lián)合豐田推出撞不壞的賽車，未來(lái)超大型結(jié)構(gòu)件的全新方向？

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