以色列一项新技术利用“机械乐高”制造智能材料

以色列一项新技术利用“机械乐高”制造智能材料。

由特拉维夫大学领导的研究人员表示，这项技术的发展意味着，人们可以像用现成积木搭建模型一样，轻松地“组装”材料以用于特定任务，例如减震、程序化形状变化或机械计算。

由特拉维夫大学研究人员领导的国际团队进行的一项新研究揭示了一种令人惊讶的方式，即简单的机械结构可以像乐高积木一样运作，从而能够执行数学运算、分阶段响应压力，甚至可以作为节能机械计算的基础。

这项发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的研究由特拉维夫大学机械工程学院的亚伊尔·肖克夫教授领导，本科生托默·西加洛夫和来自荷兰的研究人员也参与其中。该研究提出了一种设计超材料的新方法——超材料是一种人工材料，其性能主要取决于形状和结构，而不是构成它的物质。

研究人员开发了一种类似乐高积木的装置，它由三角形的积木组成，可以以不同的方式连接。这些连接方式决定了材料的特定区域是柔性的还是“受挫”的——在这种状态下，材料想要变形，但几何形状阻止了它发生变形。利用简单的数学规则，可以预先规划材料的行为方式、运动模式的数量以及这些模式的外观。

这种“机械乐高”方法使得设计具有复杂性能的材料成为可能，而无需依赖繁重的模拟或反复试验。因此，可以像组装预制模块模型一样轻松地“组装”材料，以满足特定任务的需求，例如冲击吸收、程序化形状变化或机械计算。这一概念使材料科学更贴近模块化工程的语言，并为快速开发新一代智能超材料开辟了道路。

研究团队解释说，这项研究最引人注目的成果之一是展示了材料对压力的渐进响应：这种材料不会瞬间完全坍塌，而是以可控的方式逐步折叠。这一特性对于减震、装甲和冲击防护等应用尤为重要。此外，研究人员还证明，这些结构仅需机械运动即可执行矩阵向量乘法——机器学习和人工智能中的一项基本数学运算，无需电力或电子设备。

“这项研究展示了如何以类似机械乐高积木的方式构建智能材料，”肖克夫教授说道。“我们没有从零开始设计每种材料，而是使用了少量简单的三角形积木，每个积木都具有已知的特性。就像乐高积木一样，巧妙之处不在于单个积木，而在于它们的连接方式。排列方式的微小变化就能带来整体性能的巨大差异——柔韧性、刚度、对压力的梯度响应，甚至执行计算的能力。此外，我们的研究表明，计算不必仅仅在电子芯片上进行。逻辑和计算可以嵌入到材料本身。”

这种方法与新兴的“物质计算”领域相契合，未来有望催生出软体机器人、智能传感器以及无需外部能源即可长时间运行的系统。该技术预计将应用于机器人技术和科技系统的构建。