最新创造出的“细胞材料”，将在制造业领域产生革命性影响

• 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。

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建筑材料，这些材料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。这些子单元有可能被微型机器人组装成几乎无穷无尽的具有内置功能的物体，包括车辆、大型工业部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亚单位，称为体素（二维图像像素的三维化）。每一种体素类型都表现出在典型天然材料中所没有的特殊特性，它们结合在一起可以用来制造各种设备，以可预测的方式对环境刺激做出反应。例如飞机机翼或涡轮叶片，它们通过改变整体形状来应对气压或风速的变化。

2020年11月18日发表在《科学进展》杂志上的一篇论文描述了这些发现，其中详细描述了一个离散的“机械超材料”家族的诞生。

斯坦福大学土木与环境工程的副教授、落基山研究所的创始人阿莫里·洛文斯说：“这种卓越的、基础的、美丽的合成有望彻底改变超轻材料的成本、可定制性和功能效率。”

超材料之所以得名，是因为它们的大尺度性质不同于其组成材料的微观性质。通过这种方法，工程师们应该能够建造包含多种材料特性的结构——并且使用相同的组装过程来生产它们。

体素由注射成型的聚合物的平面框架块组装而成，然后组合成具有更大功能结构的三维形状。它们大多是中空的，因此在组装时提供了一个极其轻但刚性的框架。除了基本的刚性单元，它提供了一种特殊的强度和重量的结合，这些体素还有其他三种变体，每一种都有不同寻常的特性。

“辅助性”体素有一种奇怪的特性，即材料的立方体在被压缩时，不是从侧面凸出，而是向内凸出。这是通过传统廉价的制造方法生产这种材料的第一次演示。

也有“柔性”体素（泊松比为零），这有点类似于助剂的性质，但在这种情况下，当材料被压缩时，侧面根本不会改变形状。很少已知的材料能表现出这种特性，而这种特性现在可以通过这种新方法产生。

最后，“手性”体素以扭转运动响应轴向压缩或拉伸。这是一个不常见的性质；去年，通过复杂制造技术制造出一种这种材料的研究被誉为一项重大发现。这项工作使这一特性在宏观尺度上很容易得到。

为了展示这些大规模生产的体块在现实世界中的潜力，该团队与丰田的工程师合作，生产了一辆功能超强的赛车，并在今年早些时候举行的国际机器人大会上展示了这款车。他们能够在一个月内组装出轻质、高性能的结构，而之前用传统的玻璃纤维建造方法建造一个类似的结构需要一年的时间。

在比赛中，跑道因下雨而变得光滑，赛车最终撞到了障碍物上。令所有参与的人惊讶的是，这辆车的网状内部结构变形了，然后弹回来，吸收了冲击力，但几乎没有损坏。一辆传统制造的汽车，如果是金属制造，很可能会严重凹陷，如果是复合材料制造，很可能会破碎。

汽车生动地展示了一个事实，即这些微小的部件确实可以用来制造人类大小的功能设备。而且，在汽车的结构上，这些部件并不是与其他东西相连的。除了马达和电源，所有的东西都是由这些部件组成的。

因为体素在大小和组成上是一致的，它们可以以任何需要的方式组合在一起，为最终的设备提供不同的功能。我们可以跨越以前被认为是非常特殊的材料特性的广泛范围。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，而在此之前，人们一直认为这是孤立的。

这些部件成本低，生产容易，组装速度也很快，而且你可以在一个系统中获得所有这些特性。它们彼此兼容，所以有所有这些不同类型的外来属性，但它们都能在同一个可扩展的、廉价的系统中很好地相互作用。

一个关键因素是，由一种这种体素组成的结构与亚单位本身的行为方式完全相同。“我们能够证明，当你把这些部件组装在一起时，这些关节会有效地消失。它表现为一个连续的、整体的材料。

尽管机器人技术的研究倾向于在硬机器人和软机器人之间进行划分，但这两者都不是，因为它有潜力在一个设备中混合和匹配这些特性。

这项技术的早期应用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，将刀片运送到操作现场就成了一个问题，而如果刀片是由成千上万个小部件组装而成，那么这个工作就可以在现场完成，从而消除了运输问题。同样，使用过的涡轮叶片的处理已经成为一个严重的问题，因为它们体积大，缺乏可回收性。但是由微小体素组成的刀片可以在现场拆卸，然后这些体素再用来制造其他东西。

此外，叶片本身的效率也会更高，因为它们在结构中设计了多种机械特性，使它们能够对风力的变化做出动态或被动的反应。

总的来说，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要的。”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好处之一。

斯坦福大学的洛文斯说，这项技术可以制造廉价、耐用、特别轻的航空飞行器的表面，被动地、持续地优化它们的形状，就像鸟的翅膀一样。它还可以使汽车的空质量更接近其有效载荷，因为它们的抗撞结构变成了空气。它甚至可以使球壳的抗压强度达到“能够使一个漂浮在大气中的真空气球举起相当于大型喷气式飞机净载荷几十倍的东西”。

就像生物模拟和综合设计一样，这种细胞超材料的新艺术是一种强大的新工具，可以帮助我们用更少的东西做更多的事情。