新型机械超材料可打破材料运动的对称性

德克萨斯大学奥斯汀分校以及荷兰的原子分子物理学研究所的工程师和科学家研究所发明了第一台机械超材料，这种材料可以很容易地在一个方向上传递运动且可以阻止它在其他的方向上转移，这一研究成果发表在《自然》杂志上。这种材料可以被认为是一个机械单向屏蔽，阻止能源进来，但很容易传输到另一边。

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　　研究人员利用这种超材料开发了第一个不可逆的机械材料，这种性能是无法在自然界中发现的人工合成材料才具有的。

　　打破运动的对称性，可以使机械系统具有更大的控制性能并提高了效率。这些不可逆的材料有可能被用来实现机械设备的新类型：例如，执行机构（电机是负责移动或控制机构组成）和其他设备，可以提高能量吸收、转化和收获，再比如软机器人和假肢。

　　研究者的突破在于克服相互作用的能力，这是控制许多物理系统的一个基本原则，它保证了当我们从相反方向推动任意结构时，我们得到同样的反应。这个原理支配着各种形式的在太空中传播的信号，并解释了为什么如果我们能发送无线电或声波信号，我们也可以接收它。在力学中，互易性意味着物体的运动是对称的：如果靠一边移动，我们以一定的速度移动B边，在推B的时候，我们可以期望在A边上有相同的运动

　　“我们创建的这种机械超材料，可为材料科学家用以设计机械结构的机械材料提供新的元素，”Andrea Alu说，他是论文的合著者，也是科克雷尔工程学院的一名教授。“这对于实际应用来说是十分有用的，有望打破天然的对称性与分子的位移的微观结构中的移动。”

　　在过去的几年，Alu随着科克雷尔学校研究科学家Dimitrios Sounas及其研究小组的其他成员，在电磁学、声学非互易器件领域取得了令人振奋的突破，包括第一个实现了声音、无线电波和光非互易器件。而在荷兰参观原子和分子物理学研究所，他们开始与Corentin Coulais合作进行研究，后者是原子和分子物理学研究所的研究员，他最近一直在开发机械材料。他们的密切互合作实现了这一突破。

　　研究人员首先创建了一个橡胶制成的，厘米级的超材料，其具有专门定制的鱼刺骨架设计。他们量身定制的设计，以满足打破相互作用，实现不对称性，以及一种不成正比的施加力的响应。

　　“这为我们提供了一种超材料设计结构的灵感，以异常强烈的不可逆性质，”Coulais说。“通过一个更复杂的连接了方块和菱形的结构代替简单的几何元素，我们发现我们可以打破很强的相互作用，我们还可以实现一个非常大的不可逆反应。”

　　材料的结构是正方形和菱形的格子，在样品中是完全均匀的，就像普通材料一样。然而，每个单位格是稍微倾斜，以一定的方式，而这种细微的差异极大地控制了材料对外界刺激的反应方式。

　　“超材料作为一个整体的反应是非对称的，具有一个非常刚性的一面和一个非常柔软的一面，”Sounas说。“单位不对称和软侧位置之间的关系可以预测一个非常通用的数学框架称为拓扑结构。在这里，当建筑单位偏左，右侧的材料很软，反之亦然。”

　　当研究人员将一个力施加在超材料的柔软的一面时，这容易导致内部方形和菱形结构的旋转，但只有在压力点附近，另一面的影响很小。相反，当它们施加相同的力在刚性侧时，运动将会传播和扩散整个材料，在另一侧具有大的效果。因此，从左边或从右边进行不同的推动会有非常不同的反应，产生了小的作用力的很大的不可逆性。

　　研究团队期待着利用这些拓扑机械材料实现各种应用，优化这些材料以及对其进行雕刻可用于软机器人、修复和能量收集等应用。

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