體素超材料，開(kāi)啟一個(gè)百變機(jī)器人時(shí)代？

原標(biāo)題：體素超材料，開(kāi)啟一個(gè)百變機(jī)器人時(shí)代？

浪花是如何形成的？

如果把浪花拆解開(kāi)來(lái)，它只剩下一個(gè)個(gè)水分子。如果再把這些水分子聚集起來(lái)，在潮汐力的作用下，浪花才能“涌現(xiàn)”出來(lái)。

涌現(xiàn)，也是智慧誕生的方式。由簡(jiǎn)單的元素和簡(jiǎn)單的聯(lián)接，構(gòu)成一個(gè)足夠復(fù)雜的有機(jī)體，智慧可能就從中“涌現(xiàn)”出來(lái)，比如人類(lèi)上千億神經(jīng)元細(xì)胞組成的大腦，比如數(shù)以百萬(wàn)計(jì)螞蟻組成的蟻群，逢山開(kāi)路、遇水搭橋，完成一只螞蟻根本無(wú)法企及的智慧行動(dòng)。

（《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》中的反派和微型機(jī)器人）

如果你還記得《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》里那個(gè)暖寶寶一樣的大白，那你可能還記得小男孩阿宏發(fā)明的另一個(gè)黑科技，一個(gè)蠟筆一樣的神經(jīng)控制微型機(jī)器人，單個(gè)看起來(lái)平平無(wú)奇，但一旦成千上萬(wàn)個(gè)機(jī)器人組合起來(lái)，在人的思維控制下，就可以組合成各種形狀，完成各種復(fù)雜的任務(wù)。

這一科幻設(shè)定不可謂不奇妙，雖然神經(jīng)操控的技術(shù)還難以實(shí)現(xiàn)，但是用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)物體拼接成復(fù)雜事物的方法，我們則非常熟悉了。比如小孩子都熱衷的樂(lè)高、數(shù)字版樂(lè)高《我的世界》。

現(xiàn)在，科研人員又前進(jìn)了一步。MIT（麻省理工學(xué)院）比特和原子研究中心（CBA）的科學(xué)家們發(fā)明了一種“機(jī)械超材料”（mechanical metamaterials）的新型材料系統(tǒng)，可以通過(guò)一系列微型聚合物材料，制作類(lèi)似“積木”的微型構(gòu)件模塊，能夠表現(xiàn)出一些非常獨(dú)特的機(jī)械性能，比如在受到擠壓后能表現(xiàn)出扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。即使在組裝成大型復(fù)雜立體結(jié)構(gòu)的物體之后，也能保持和基礎(chǔ)模塊一樣的特性。

這種被稱(chēng)為“體素”的新材料，不僅僅是高級(jí)樂(lè)高玩家們的福音，而且未來(lái)可以應(yīng)用在拼接各類(lèi)大型復(fù)雜物體，包括像汽車(chē)、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和各類(lèi)專(zhuān)用機(jī)器人，將有可能用于工業(yè)制造、機(jī)器人、軍事設(shè)施以及日常消費(fèi)等領(lǐng)域。

什么是超材料？

材料（material），在亞里士多德那里，是被稱(chēng)為“四因說(shuō)”當(dāng)中的基本因素之一，是那個(gè)形而上學(xué)始終無(wú)法擺脫的“客觀實(shí)在”。其實(shí)對(duì)于大多數(shù)中國(guó)人來(lái)說(shuō)，材料根本一點(diǎn)也不神秘，就是“金木水火土”這類(lèi)經(jīng)驗(yàn)世界當(dāng)中都能直觀到的東西。

具體到生活經(jīng)驗(yàn)中，那就是用來(lái)灌溉土地的水、用來(lái)制作生活器物的陶土、用來(lái)燒火的木柴，用來(lái)砍伐耕作的鐵器。今天我們稍微歸類(lèi)一下，就是所謂的陶瓷材料、木質(zhì)材料、金屬材料，以及在現(xiàn)代科技和工業(yè)上產(chǎn)生的高分子材料、復(fù)合材料等。

同樣，超材料也是一個(gè)現(xiàn)代跨學(xué)科研究而出現(xiàn)的新型材料領(lǐng)域，涵蓋像電子工程、凝聚態(tài)物理、微波、光電子學(xué)、經(jīng)典光學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)以及納米科技等學(xué)科。

“超材料”只能是由人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，并具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料。

比如，像可以直接將廢熱轉(zhuǎn)化為可用電力的熱電材料，可以作為太陽(yáng)能電池替代材料的鈣鈦礦，可以作為絕佳絕緣體的氣凝膠。還有像斯坦福大學(xué)張首晟教授提出的超導(dǎo)材料Stanene，一種可以在室溫下進(jìn)行零阻力導(dǎo)電的拓?fù)浣^緣體。

最有噱頭的超材料是在美國(guó)DARPA資助下的一種可以改變覆蓋物周?chē)饩€(xiàn)速度的隱形材料，非常具有“科幻色彩”。

超材料的特色在于因其大規(guī)模特性不同于其組成材料的微觀特性而出名，因此它們被多用于電磁領(lǐng)域，主要是圍繞其微觀結(jié)構(gòu)層面來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是研究超材料所具有的宏觀機(jī)械特性方面的工作還沒(méi)有展開(kāi)太多。

因此，體素的提出正是在宏觀方面的一次新突破。

體素：一種可柔可剛的機(jī)械超材料

體素之所以叫Voxels，就是而為圖像像素（Pixel）的三維化而得名。

這種被稱(chēng)為“體素”的“機(jī)械超材料”，其特色不在于其材料的特殊性，而在于其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，體素是由注塑成型的聚合物組成的平面架構(gòu)而成，然后再拼接成三維結(jié)構(gòu)。

上個(gè)月，MIT的研究者將他們的成果發(fā)表在Science雜志的子刊Science Advances 上，提出了四種不同類(lèi)型的機(jī)械超材料子單元結(jié)構(gòu)，也就是四種類(lèi)型的體素。

如上圖所示，這四種體素類(lèi)型分別是剛性（灰色）、柔順（紫色）、拉脹（橙色）和手性（藍(lán)色）。

灰色的剛性材料出色的結(jié)合了剛性和輕盈的特點(diǎn)，可以應(yīng)用在既需要高強(qiáng)度特性又需要特定重量的結(jié)構(gòu)物體上，比如賽車(chē)。

最近MIT的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)和豐田合作，推出了這一“體素”賽車(chē)。這輛汽車(chē)除了電機(jī)和電源外，其余零件都是由體素構(gòu)成的。據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，他們使用了一個(gè)月時(shí)間就組裝出這一輕量化、高剛性的結(jié)構(gòu)，而如果采用之前傳統(tǒng)的玻璃纖維結(jié)構(gòu)方法建造一個(gè)類(lèi)似的結(jié)構(gòu)需要一年的時(shí)間。

在實(shí)際的演示中，因?yàn)橘惖缆访鏉窕?，賽?chē)最終撞在了障礙物上（可能有意為之），出乎意料的是，這輛賽車(chē)的網(wǎng)格狀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在變形后，完全吸收了沖擊力之后發(fā)生了反彈，幾乎沒(méi)有出現(xiàn)損壞。如果是傳統(tǒng)的采用金屬材質(zhì)的汽車(chē)，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。

這一結(jié)果卻是振奮人心，未來(lái)可能會(huì)有大量物品或機(jī)械品的外包裝結(jié)構(gòu)可以采用這種剛性材料。除了這一標(biāo)準(zhǔn)的剛性體素，其他三種體素也各具其獨(dú)特特性。

第二種是紫色的“順應(yīng)性”體素（"compliant" voxels），其泊松比（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，這對(duì)于我們的直觀經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)也是一種顛覆的特性，因?yàn)槲覀兒苌倌軓囊阎牟牧现锌吹竭@種狀況出現(xiàn)。

第三種橙色的“拉脹性”體素（"auxetic" voxels），其構(gòu)成的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。

第四種藍(lán)色的“手性”體素（"chiral" voxels），可以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。

原本后兩者都要通過(guò)非常復(fù)雜的制造技術(shù)生產(chǎn)出類(lèi)似材料，但現(xiàn)在通過(guò)這項(xiàng)體素的拼接技術(shù)，可以很容易用廉價(jià)的方法制造出來(lái)，實(shí)現(xiàn)這些獨(dú)特性能。

由于一個(gè)體素組合而成的結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出與子單元一模一樣的行為方式，這就相當(dāng)于一個(gè)整體就可以作為一個(gè)更大整體結(jié)構(gòu)的部分，中間的結(jié)合件等于可以消失不見(jiàn)，形成連續(xù)的整體式材料。

由于體素的尺寸和成分一致，他們可以以任何方式結(jié)合，使得整個(gè)設(shè)備獲得不同的特性。這與之前最大的變化是，在一個(gè)設(shè)備中結(jié)合諸多的機(jī)械材料特性，而之前往往認(rèn)為這些特性只能是孤立存在的。

最重要的是，這種出色性能、廉價(jià)而方便應(yīng)用的超材料有望徹底改變超輕盈材料結(jié)構(gòu)的成本，具有相當(dāng)強(qiáng)的可定制性和實(shí)用功效，具備非常廣闊的應(yīng)用前景。

體素超材料的廣闊應(yīng)用前景

體素的這些機(jī)械超材料特性指出一個(gè)最根本的應(yīng)用方向，就是由這些具有獨(dú)特特性的零部件組合來(lái)制作龐大的實(shí)用設(shè)備。

體素可以組成汽車(chē)、輪船、飛機(jī)以及各類(lèi)專(zhuān)業(yè)機(jī)器人上面的所有剛性零部件和活動(dòng)部件。研究人員給出了一個(gè)典型的應(yīng)用就是構(gòu)造用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的渦輪葉片。

我們可能會(huì)在旅游途中看到那些遠(yuǎn)處山頭上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，而其中一個(gè)葉片就要長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米，這令葉片的運(yùn)輸和安裝變得非常困難。但如果這個(gè)葉片是由數(shù)千個(gè)微小的子單元組裝而成，這些子單元可以方便運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后再組裝，就極大的消除了運(yùn)輸問(wèn)題。

另外，一旦這些發(fā)電機(jī)廢棄，巨大的渦輪葉片的拆卸回收也是一個(gè)難題，而由微型體素做成的葉片就可以現(xiàn)場(chǎng)拆卸，重新利用。

更為重要的一點(diǎn)是葉片本身因?yàn)榫哂辛薚恤的混合的機(jī)械特性，使得葉片可以動(dòng)態(tài)地響應(yīng)風(fēng)力強(qiáng)度的變化，從而提高風(fēng)力發(fā)電的效能。

基于體素的可擴(kuò)展性和獨(dú)特特性，體素超材料可以做出堅(jiān)固但特別輕盈的航空飛行器，使其表面可以不斷地優(yōu)化形狀，真正像鳥(niǎo)的翅膀一樣；也可以使得汽車(chē)的空載質(zhì)量更接近有效載荷，防撞結(jié)構(gòu)將極大減輕整車(chē)的質(zhì)量；體素的抗壓強(qiáng)度，可以使得無(wú)氦真空氣球可以在大氣中漂浮的球形外殼的凈載荷達(dá)到大型噴氣式飛機(jī)的幾十倍，極大提高承載量。

也就是，體素超材料類(lèi)似于一種仿生學(xué)上的細(xì)胞狀材料，為未來(lái)工業(yè)設(shè)計(jì)提供全新的工具。

在專(zhuān)業(yè)機(jī)器人制造上面，因?yàn)橛羞@樣一個(gè)低成本、可擴(kuò)展的諸多機(jī)械材料特性系統(tǒng)，人們可以根據(jù)體素的多種特性來(lái)設(shè)計(jì)各式機(jī)器人，比如四足機(jī)器人、游泳機(jī)器人、飛行機(jī)器人、管道檢測(cè)機(jī)器人等。

事實(shí)上，MIT這項(xiàng)研究的背后仍然少不了美國(guó)軍方的影子，其研究得到了美國(guó)宇航局NASA、美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的支持。這意味著這些獨(dú)特機(jī)械性能的材料會(huì)被用于軍事領(lǐng)域設(shè)備和機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造，比如制造出可以吸收沖擊能量的機(jī)器人，用在反恐排爆的現(xiàn)場(chǎng)，制造出可以快速拼接橋梁、梯子的機(jī)器人，極大增強(qiáng)軍事機(jī)動(dòng)性和作戰(zhàn)人員及裝備的生存能力。

可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，一旦這種體素材料能夠大規(guī)模商業(yè)使用，可能就像樂(lè)高一樣簡(jiǎn)單易得，那么很有可能出現(xiàn)一種民用自定義編程材料的應(yīng)用領(lǐng)域，從而出現(xiàn)各式各樣的生活、游戲娛樂(lè)設(shè)備、機(jī)器人和大型工程裝備。

作為一個(gè)致力于“科技向善”的媒體人，最后只衷心地希望這一超材料多多造福于人類(lèi)，而非用在戰(zhàn)爭(zhēng)之上。

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