力学超材料“体素”赛车问世 未来超大型结构件的全新方向

近日，MIT团队与丰田合作的超里程汽车，撞上障碍物几乎无损坏。他们在今年的一次国际机器人会议进行了演示。

研究人员表示，他们只用了一个月的时间就组装出了轻量化、高性能的结构，而之前用传统的玻璃纤维结构方法建造一个类似的结构需要一年的时间。

在展示过程中，赛道因下雨而变得湿滑，赛车最终撞上了障碍物。出乎所有人意料的是，赛车网格状的内部结构发生了变形，然后反弹，吸收了冲击力，几乎没有损坏。研究人员说，如果是传统的采用金属材质的汽车，很可能会严重凹陷，如果是复合材料，则会被撞得粉碎。

体素是一种超材料，就像更高阶版本的乐高一样，由注塑聚合物的平面框架件制成，然后制造成三维形状，可以组合成更大的结构。

研究者基于有限集的模块化、和大批量零件离散装配，提出一个机械超材料的构造系统。

这辆汽车生动地展示了一个事实，即体素（voxels）确实可以用来制造可用的设备。而且这辆汽车除了电机和电源之外，其余零件都是由体素组成的

当体素连接在一起时，提供了一个轻量、但刚性的框架。除了标准的刚性体素（灰色），提供特殊强度和重量组合，还有其他三种体素迭代版本。

“顺应性”体素（“compliant”voxels，紫色）：洎松比（横向变形系数）为零，在压缩时不会出现侧面变形。以往的已知材料很少表现出这种特性。

“拉胀性”体素（“auxetic”voxels，橙色）：立方体材料在被压缩时不是从两边凸出，而是向内凸起。这是首次展示通过传统和廉价的制造方法来生产这种材料。

“手性”体素（“chiral”voxels，蓝色）：在受到轴向压缩或拉伸时会出现扭曲反应。这也是一种不同寻常的特性。去年，研究人员通过复杂的制造技术生产出一种类似材料。现在，通过这项研究，可以很容易地从宏观层面实现材料性能。

因为这些体素的大小和组成都是统一的，所以可以用任何需要的方式进行组合，为最终的设备提供不同的功能。

以上证明，量产体素可以类似乐高的方式构建出大型物体，该汽车由麻省理工学院（MIT）比特和原子研究中心的科学家与丰田公司的工程师合作。

据悉，MIT比特和原子研究中心的科學家们，提出了一个基于有限部分离散装配的机械超材料构造系统，通过一系列微型聚合物材料，这种类似“积木”的微型构建基块，表现出了一些非常独特的机械性能，比如在受到挤压时能够表现出扭转运动。

这些材料可以通过机器人设备加工，组合各种具有综合功能的结构，比如汽车、大工业零件或可以反复组装成不同形态的专用机器人。这项研究有望彻底改变超轻、材料节约型结构的成本、可定制性和机能效率。

这些子单元可以被机器人组装成大型复杂的物体，包括汽车、机器人或风力涡轮机叶片

江大学研究团队的超材料的“隐身”装置的效果

研究人员将这种新型材料称为“力学超材料”，研究人员创造了四种不同类型的机械元材料子单元，被称为体素（Voxels，二维图像像素Pixel的三维化），并以它们在二维图像像素上的三维变化命名。

每一种体素模型都显示出传统天然材料中看不到的特性，结合使用，可以直接生产对环境刺激作出反应的设备。相关用途包括通过改变其整体形状而对气压变化或风速敏感的飞机机翼或涡轮叶片。

超材料提供奇异特性

材料是我们日常生活中的“常客”，如金属材料、陶瓷材料、高分子材料、木质材料、复合材料等。但如果说到超材料（metamaterials），恐怕大家会一头雾水吧？

超材料是指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，比如隐身衣是近年来出镜率比较高的超材料应用，此外还有电磁超材料、左手材料、光子晶体和非正定介质等，听起来都非常“科幻”。