體素超材料，開啟一個百變機器人時代？

浪花是如何形成的?

如果把浪花拆解開來，它只剩下一個個水分子。如果再把這些水分子聚集起來，在潮汐力的作用下，浪花才能“湧現”出來。

湧現，也是智慧誕生的方式。由簡單的元素和簡單的聯接，構成一個足夠複雜的有機體，智慧可能就從中“湧現”出來，比如人類上千億神經元細胞組成的大腦，比如數以百萬計螞蟻組成的蟻群，逢山開路、遇水搭橋，完成一隻螞蟻根本無法企及的智慧行動。

(《超能陸戰隊》中的反派和微型機器人)

如果你還記得《超能陸戰隊》裡那個暖寶寶一樣的大白，那你可能還記得小男孩阿宏發明的另一個黑科技，一個蠟筆一樣的神經控制微型機器人，單個看起來平平無奇，但一旦成千上萬個機器人組合起來，在人的思維控制下，就可以組合成各種形狀，完成各種複雜的任務。

這一科幻設定不可謂不奇妙，雖然神經操控的技術還難以實現，但是用簡單結構物體拼接成複雜事物的方法，我們則非常熟悉了。比如小孩子都熱衷的樂高、數字版樂高《我的世界》。

現在，科研人員又前進了一步。MIT(麻省理工學院)位元和原子研究中心(CBA)的科學家們發明了一種“機械超材料”(mechanical metamaterials)的新型材料系統，可以透過一系列微型聚合物材料，製作類似“積木”的微型構件模組，能夠表現出一些非常獨特的機械效能，比如在受到擠壓後能表現出扭轉運動。即使在組裝成大型複雜立體結構的物體之後，也能保持和基礎模組一樣的特性。

這種被稱為“體素”的新材料，不僅僅是高階樂高玩家們的福音，而且未來可以應用在拼接各類大型複雜物體，包括像汽車、風力渦輪機葉片和各類專用機器人，將有可能用於工業製造、機器人、軍事設施以及日常消費等領域。

什麼是超材料?

材料(material)，在亞里士多德那裡，是被稱為“四因說”當中的基本因素之一，是那個形而上學始終無法擺脫的“客觀實在”。其實對於大多數中國人來說，材料根本一點也不神秘，就是“金木水火土”這類經驗世界當中都能直觀到的東西。

具體到生活經驗中，那就是用來灌溉土地的水、用來製作生活器物的陶土、用來燒火的木柴，用來砍伐耕作的鐵器。今天我們稍微歸類一下，就是所謂的陶瓷材料、木質材料、金屬材料，以及在現代科技和工業上產生的高分子材料、複合材料等。

同樣，超材料也是一個現代跨學科研究而出現的新型材料領域，涵蓋像電子工程、凝聚態物理、微波、光電子學、經典光學、材料科學、半導體科學以及奈米科技等學科。

“超材料”只能是由人工設計的結構，並具有天然材料所不具備的超常物理性質的複合材料。

比如，像可以直接將廢熱轉化為可用電力的熱電材料，可以作為太陽能電池替代材料的鈣鈦礦，可以作為絕佳絕緣體的氣凝膠。還有像史丹佛大學張首晟教授提出的超導材料Stanene，一種可以在室溫下進行零阻力導電的拓撲絕緣體。

最有噱頭的超材料是在美國DARPA資助下的一種可以改變覆蓋物周圍光線速度的隱形材料，非常具有“科幻色彩”。

超材料的特色在於因其大規模特性不同於其組成材料的微觀特性而出名，因此它們被多用於電磁領域，主要是圍繞其微觀結構層面來進行設計，但是研究超材料所具有的宏觀機械特性方面的工作還沒有展開太多。

因此，體素的提出正是在宏觀方面的一次新突破。

體素：一種可柔可剛的機械超材料

體素之所以叫Voxels，就是而為影像畫素(Pixel)的三維化而得名。

這種被稱為“體素”的“機械超材料”，其特色不在於其材料的特殊性，而在於其設計結構，體素是由注塑成型的聚合物組成的平面架構而成，然後再拼接成三維結構。

上個月，MIT的研究者將他們的成果發表在Science雜誌的子刊Science Advances 上，提出了四種不同型別的機械超材料子單元結構，也就是四種型別的體素。

如上圖所示，這四種體素型別分別是剛性(灰色)、柔順(紫色)、拉脹(橙色)和手性(藍色)。

灰色的剛性材料出色的結合了剛性和輕盈的特點，可以應用在既需要高強度特性又需要特定重量的結構物體上，比如賽車。

最近MIT的團隊已經和豐田合作，推出了這一“體素”賽車。這輛汽車除了電機和電源外，其餘零件都是由體素構成的。據研究團隊介紹，他們使用了一個月時間就組裝出這一輕量化、高剛性的結構，而如果採用之前傳統的玻璃纖維結構方法建造一個類似的結構需要一年的時間。

在實際的演示中，因為賽道路面溼滑，賽車最終撞在了障礙物上(可能有意為之)，出乎意料的是，這輛賽車的網格狀的內部結構在變形後，完全吸收了衝擊力之後發生了反彈，幾乎沒有出現損壞。如果是傳統的採用金屬材質的汽車，很可能會嚴重凹陷，如果是複合材料，則會被撞得粉碎。

這一結果卻是振奮人心，未來可能會有大量物品或機械品的外包裝結構可以採用這種剛性材料。除了這一標準的剛性體素，其他三種體素也各具其獨特特性。

第二種是紫色的“順應性”體素("compliant" voxels)，其泊松比(橫向變形係數)為零，在壓縮時不會出現側面變形，這對於我們的直觀經驗來說也是一種顛覆的特性，因為我們很少能從已知的材料中看到這種狀況出現。

第三種橙色的“拉脹性”體素("auxetic" voxels)，其構成的立方體材料在被壓縮時不是從兩邊凸出，而是向內凸起。

第四種藍色的“手性”體素("chiral" voxels)，可以在受到軸向壓縮或拉伸時會出現扭曲反應。這也是一種不同尋常的特性。

原本後兩者都要透過非常複雜的製造技術生產出類似材料，但現在透過這項體素的拼接技術，可以很容易用廉價的方法制造出來，實現這些獨特效能。

由於一個體素組合而成的結構可以表現出與子單元一模一樣的行為方式，這就相當於一個整體就可以作為一個更大整體結構的部分，中間的結合件等於可以消失不見，形成連續的整體式材料。

由於體素的尺寸和成分一致，他們可以以任何方式結合，使得整個裝置獲得不同的特性。這與之前最大的變化是，在一個裝置中結合諸多的機械材料特性，而之前往往認為這些特性只能是孤立存在的。

最重要的是，這種出色效能、廉價而方便應用的超材料有望徹底改變超輕盈材料結構的成本，具有相當強的可定製性和實用功效，具備非常廣闊的應用前景。

體素超材料的廣闊應用前景

體素的這些機械超材料特性指出一個最根本的應用方向，就是由這些具有獨特特性的零部件組合來製作龐大的實用裝置。

體素可以組成汽車、輪船、飛機以及各類專業機器人上面的所有剛性零部件和活動部件。研究人員給出了一個典型的應用就是構造用於風力發電機的渦輪葉片。

我們可能會在旅遊途中看到那些遠處山頭上的風力發電機，而其中一個葉片就要長達數十米，這令葉片的運輸和安裝變得非常困難。但如果這個葉片是由數千個微小的子單元組裝而成，這些子單元可以方便運到現場後再組裝，就極大的消除了運輸問題。

另外，一旦這些發電機廢棄，巨大的渦輪葉片的拆卸回收也是一個難題，而由微型體素做成的葉片就可以現場拆卸，重新利用。

更為重要的一點是葉片本身因為具有了T恤的混合的機械特性，使得葉片可以動態地響應風力強度的變化，從而提高風力發電的效能。

基於體素的可擴充套件性和獨特特性，體素超材料可以做出堅固但特別輕盈的航空飛行器，使其表面可以不斷地最佳化形狀，真正像鳥的翅膀一樣;也可以使得汽車的空載質量更接近有效載荷，防撞結構將極大減輕整車的質量;體素的抗壓強度，可以使得無氦真空氣球可以在大氣中漂浮的球形外殼的淨載荷達到大型噴氣式飛機的幾十倍，極大提高承載量。

也就是，體素超材料類似於一種仿生學上的細胞狀材料，為未來工業設計提供全新的工具。

在專業機器人制造上面，因為有這樣一個低成本、可擴充套件的諸多機械材料特性系統，人們可以根據體素的多種特性來設計各式機器人，比如四足機器人、游泳機器人、飛行機器人、管道檢測機器人等。

事實上，MIT這項研究的背後仍然少不了美國軍方的影子，其研究得到了美國宇航局NASA、美國陸軍研究實驗室的支援。這意味著這些獨特機械效能的材料會被用於軍事領域裝置和機器人的設計和製造，比如製造出可以吸收衝擊能量的機器人，用在反恐排爆的現場，製造出可以快速拼接橋樑、梯子的機器人，極大增強軍事機動性和作戰人員及裝備的生存能力。

可以預見的未來，一旦這種體素材料能夠大規模商業使用，可能就像樂高一樣簡單易得，那麼很有可能出現一種民用自定義程式設計材料的應用領域，從而出現各式各樣的生活、遊戲娛樂裝置、機器人和大型工程裝備。

作為一個致力於“科技向善”的媒體人，最後只衷心地希望這一超材料多多造福於人類，而非用在戰爭之上。