超材料透過其底層結構佈局的幾何排列，來實現奇異的物理特性。傳統的力學超材料，透過單胞最佳化實現目標泊松比或形態變換等功能，通常具有空間異質性。這些功能，以一種無法改變的方式，程式設計到超材料的佈局中。

儘管人們已經努力去探索，可在製造後調整這些特性的方法，但它們仍沒有表現出類似於數字裝置的其中每個單元，都可以根據需要實時地寫入或讀取(如硬碟驅動器)的機械可重程式設計性。

近日，來自瑞士洛桑聯邦理工學院的Mark Pauly & Pedro M. Reis等研究者，透過使用一種具有單元級穩定記憶的，平鋪機械超材料的設計框架克服了上述挑戰。相關論文以題為“A reprogrammable mechanical metamaterial with stable memory”發表在Nature上。更多精彩專業影片，請關注抖音賬號：材料科學網。

論文連結：

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

穩定地改變以材料為基礎的系統的力學行為能力是非常重要的。在這裡，研究者受成熟的技術啟發，確定了這樣一個系統的必要功能。例如，硬碟驅動器透過對磁性介質的讀寫來儲存資料，而且每個位元都有兩種可可逆磁化的狀態。另一個例子是，液晶顯示器中的畫素級偏振隨著所施加的電壓的比例不斷被重新程式設計。

在研究者提出的超材料中，每個m-位元在製造上是相同的，並且可以週期性地平鋪，具有以下核心要求。首先，正如一個數字位可以支援多次重寫，一個m位元在程式設計過程中的狀態變化必須是彈性的(可逆的)。其次，像在非易失性儲存中一樣，透過寫入引起的狀態變化必須是無限穩定的。第三，程式設計的解析度應該在一個單獨的m-位元的水平上，獨立於任何與相鄰m-位元的互動。類似於記憶體訪問，讀取或物理載入m-位元不應該改變其狀態。

鑑於以上要求，研究者的m-位元設計(圖1a)包括：(i)具有兩種幾何狀態的雙穩態彈性圓錐殼；(ii)驅動外殼的磁蓋；(iii)兩組自然彎曲的柱子；(iv)放大兩種狀態的機械特性差異的兩個塞子，以及(v)上蓋。每m-位元為立方體，邊長l = 30mm。使用乙烯基聚矽氧烷(VPS)與釹鐵硼顆粒混合的彈性體複合材料鑄造磁帽，隨後對其進行磁化。所有其他部件都是使用純VPS鑄造的。m-位元是在ON狀態下製作的。這裡，研究者將“程式設計”稱為切換雙穩殼的兩種穩定平衡，這是透過兩個電磁線圈和錐殼上的磁帽之間的相互作用來實現的(圖1b)。

在此，研究者的設計包括一個物理二進位制元素陣列(m-位元)，類似於數字位，具有清晰描述的寫入和讀取階段。每一個m-位元都可以獨立且可逆地在兩種穩定狀態之間切換(充當記憶體)，利用磁驅動在一個雙穩定殼層的平衡之間移動。在變形狀態下，每一種狀態都有明顯不同的機械響應，這是完全彈性的，可以可逆迴圈，直到系統重新程式設計。將一組二進位制指令編碼到平鋪陣列上會產生明顯不同的力學效能；具體來說，剛度和強度可以達到一個數量級的範圍。

圖1 單個m-位元的設計、程式設計和機械響應。

圖2 單個m-位元壓縮下的機械響應。

圖3 單個m-位元的程式設計。

圖4 m-位元矩形6×6陣列在壓縮下的力學響應。

不同組合的力-位移行為(圖4a)揭示了開關狀態之間的插值，從而實現了機械響應的微調。根據程式設計模式，在載荷下可以實現質的不同的機械響應，但整個變形仍然保持彈性。研究者進一步量化了陣列的機械反應，作為單個m-位元，研究者定義剛度係數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)。當更多的m-位元從OFF狀態切換到ON狀態時(圖4b)，發現k值隨處於ON狀態的m-位元的百分比，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需要重新程式設計的超材料。基於動態材料的可程式設計性的概念，會引起一系列的研究活動，包括對專業機械可調性的最佳化以及更廣泛意義上的可程式設計超材料的最佳化。首先，可以演示基於材料的控制，透過構造一個從輸出行為到輸入狀態的反饋迴路。其次，可以利用拓撲最佳化型別的方法實時生成空間異構性。第三，使用亞微米尺度的先進3D列印技術，並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的，因為其潛在的物理機制(即有限彈性和屈曲失穩)是尺度不變的。最後，最近大量關於設計師物質的研究工作可以用於可重程式設計，這導致了新一代的超材料，可以根據需要改變其屬性，如剪下剛度和彎曲剛度、摩擦係數、泊松比、波傳播特性和體積膨脹係數等。（文：水生）