作者大卫·钱德勒，麻省理工学院 四种离散组装的机械超材料
从左到右:刚性、柔性、膨胀性和手征性
(一)成型面零件
(二)单体素，正视图
一个2 × 2 × 2的立方体，正视图
单体素，斜视图
(五)2 × 2 × 2的斜视图
比例尺，10毫米(甲)，25毫米(乙和丁)，50毫米(丙和戊)
照片荣誉:麻省理工学院本杰明·詹妮特
学分:科学进步(2020)
doi/10
1126/sciadv
abc9943 麻省理工学院比特和原子中心的研究人员已经创造出了微小的积木，这些积木展示了各种独特的机械特性，比如在被挤压时产生扭曲运动的能力
这些子单元有可能由微型机器人组装成几乎无限多种内置功能的物体，包括车辆、大型工业零件或可以以不同形式重复组装的专用机器人
研究人员创建了四种不同类型的子单元，称为体素(二维图像像素的三维变化)
每种体素类型都表现出典型的自然材料所没有的特殊性质，结合它们可以用来制造以可预测的方式响应环境刺激的设备
例子可能包括通过改变整体形状来响应气压或风速变化的飞机机翼或涡轮叶片
这些发现详细描述了一系列离散的“机械超材料”的创造，在今天发表在《科学进步》杂志上的一篇论文中有所描述，作者是麻省理工学院的博士生本杰明·詹尼特博士
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20岁，尼尔·格申菲尔德教授，和另外四个人
超材料之所以得名，是因为它们的大尺度特性不同于其组成材料的微观特性
它们在电磁学中被用作“建筑”材料，是在微观结构的层面上设计的
“但是在创造超材料的宏观机械性能方面还没有做很多工作，”格申菲尔德说
格申菲尔德说，通过这种方法，工程师应该能够建造包含多种材料特性的结构，并使用相同的共享生产和组装过程来生产它们
体素由注射成型聚合物的平面框架片组装而成，然后组合成三维形状，可连接成更大的功能结构
它们大部分是开放空间，因此在组装时提供了一个极其轻便但刚性的框架
除了提供强度和重量的特殊组合的基本刚性单元之外，这些体素还有另外三种变体，每一种都具有不同的特殊属性
“膨胀”体素有一个奇怪的特性，当压缩时，立方体的材料，而不是在侧面膨胀，实际上是向内膨胀
这是通过传统和廉价的制造方法生产的这种材料的首次展示
还有“柔顺的”体素，具有零泊松比，这有点类似于膨胀属性，但是在这种情况下，当材料被压缩时，侧面根本不改变形状
很少有已知材料表现出这种性质，现在可以通过这种新方法生产
最后，“手征”体素响应轴向压缩或扭曲运动的拉伸
同样，这是一个不寻常的属性；去年，通过复杂的制造技术生产这种材料的研究被誉为一项重大发现
这项工作使得这一性质在宏观尺度上很容易获得
“我们展示的每一种物质属性以前都是它自己的领域，”格申菲尔德说
“人们只会在那一处房产上写论文
这是第一个在一个单一系统中显示它们的东西
" 为了展示由这些大规模生产的体素以类似乐高的方式构建的大型物体在现实世界中的潜力，该团队与丰田的工程师合作，生产了一款功能性超里程赛车，他们在今年早些时候的一次国际机器人会议上在街上展示了这款车
詹尼特说，他们能够在一个月内组装出这种轻质、高性能的结构，而用传统的玻璃纤维建筑方法建造一个类似的结构需要一年的时间
示威期间，街道因下雨而变得湿滑，赛车最终撞上了障碍物
令所有相关人员惊讶的是，这辆车的格子状内部结构变形，然后反弹回来，吸收了震动，几乎没有损坏
Jenett说，如果一辆传统制造的汽车是由金属制成的，可能会严重凹陷，如果是由复合材料制成的，可能会破碎
这辆车生动地展示了这样一个事实，即这些微小的部件确实可以用来制造人体大小的功能设备
格申菲尔德指出，在汽车的结构中，“这些部件并不与其他部件相连
除了马达和电源，“整个东西都是由这些部分组成的
因为体素在大小和组成上是一致的，所以它们可以以任何需要的方式组合，以便为最终的设备提供不同的功能
“我们可以跨越一个广泛的材料属性，在此之前被认为是非常专业的，”格申菲尔德说
“关键是你不必选择一个属性
例如，你可以制造在一个方向弯曲而在另一个方向僵硬的机器人，并且只能以特定的方式移动
因此，与我们早期的工作相比，最大的变化是这种跨越多种机械材料特性的能力，这在以前是孤立考虑的
" Jenett完成了大部分工作，作为他博士论文的基础，他说“这些零件成本低，易于生产，组装速度非常快，你可以在一个系统中获得所有这些特性
它们都是相互兼容的，所以有所有这些不同类型的奇异属性，但是它们都在同一个可扩展的、廉价的系统中很好地相互配合
" “想想汽车、机器人、船只和飞机上所有的刚性部件和运动部件，”格申菲尔德说
“我们可以用这个系统跨越所有这些
" Jenett说，一个关键因素是由一种类型的体素组成的结构将与亚单位本身表现完全相同
“我们能够证明，当你把零件组装在一起时，接头实际上消失了
它表现为一个连续体，单片材料
" 尽管机器人研究倾向于分为硬机器人和软机器人，“这两者都不是，”格申菲尔德说，因为它有可能在单个设备中混合和匹配这些属性
Jenett说，这项技术的早期应用之一可能是用于制造风力涡轮机的叶片
随着这些结构变得越来越大，将刀片运输到其操作地点成为一个严重的后勤问题，而如果它们是由数千个微小的子单元组装而成，这项工作可以在现场完成，消除了运输问题
同样，由于尺寸大且缺乏可回收性，废弃涡轮叶片的处理已经成为一个严重的问题
但是由微小的体素组成的叶片可以在现场拆卸，然后体素被重新用于制造其他东西
此外，他说，叶片本身可能更有效，因为它们可以在结构中设计多种机械性能，使它们能够动态、被动地响应风力的变化
总的来说，詹尼特说，“现在我们有了这个低成本、可扩展的系统，所以我们可以设计任何我们想设计的东西
我们可以做四足动物，我们可以做游泳机器人，我们可以做飞行机器人
这种灵活性是该系统的主要优势之一
"
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