内置挫折的超材料具有机械记忆

UvA 物理研究所和 ENS de Lyon 的研究人员发现了如何设计必须具有材料在压力下不会变形的点或线的材料，甚至可以记住它们过去是如何被戳或挤压的。这些结果可用于机器人和机械计算机，而类似的设计原则可用于量子计算机。

结果是超材料领域的突破：设计材料的响应取决于它们的结构而不是它们的化学成分。为了构建具有机械记忆的超材料，物理学家 Xiaofei Guo、Marcelo Guzmán、David Carpentier、Denis Bartolo 和 Corentin Coulais 意识到其设计需要“受挫”，这种受挫对应于一种新型秩序，他们称之为非- 可定向的顺序。

扭曲的物理学

不可定向物体的一个简单示例是莫比乌斯带，它是通过取一条材料，对其进行半扭曲，然后将其末端粘合在一起而制成的。你可以在家里用一张纸试一试。用手指沿着莫比乌斯带的表面走，你会发现当你回到起点时，你的手指会在纸的另一面。

莫比乌斯带是不可定向的，因为无法以一致的方式标记带的两侧;扭曲使整个表面成为一体。这与简单的圆柱体(没有任何扭曲的条带，其末端粘合在一起)形成对比，后者具有不同的内表面和外表面。

郭和她的同事们意识到，这种不可定向性会强烈影响物体或超材料对被推动或挤压的反应。如果你把一个简单的圆柱体和莫比乌斯带放在一个平面上，然后从上面往下压，你会发现圆柱体的边都会全部凸出(或向内)，而莫比乌斯带的边却做不到相同。取而代之的是，后者的不可定向性确保沿条带始终有一个点不会在压力下变形。

挫折并不总是坏事

令人兴奋的是，这种行为远远超出了莫比乌斯带。“我们发现莫比乌斯带等不可定向物体的行为使我们能够描述任何全局受挫的材料。这些材料自然想要有序，但它们结构中的某些东西阻止了跨越整个系统的秩序，并迫使有序的模式在空间中的一点或一条线上消失。如果不切割结构，就无法消除消失点，因此无论如何它都必须存在，”Coulais 解释说，他领导着阿姆斯特丹大学机械材料实验室。

研究团队设计并 3D 打印了他们自己的机械超材料结构，这些结构表现出与莫比乌斯带相同的受挫和不可定向行为。他们的设计基于由角部铰链连接的正方形环。当这些环被挤压时，相邻的方块将向相反的方向旋转，从而使它们的边缘靠得更近。邻居的相反旋转使系统的响应类似于某些磁性材料中发生的反铁磁排序。

由奇数个方格组成的环是受挫的，因为没有办法让所有相邻的方格都向相反的方向旋转。因此，压缩的奇数环表现出不可定向的顺序，其中沿环的一点的旋转角度必须变为零。

作为材料整体形状的一个特征，这使其成为一种稳健的拓扑特性。通过将多个元环连接在一起，甚至可以模拟克莱因瓶等高维拓扑结构的力学。

机械记忆

具有强制零变形点或线是赋予材料机械记忆的关键。您可以在不同的点按压环，而不是从四面八方挤压超材料环。这样做时，您按下不同点的顺序决定了零变形点或线结束的位置。

这是一种存储信息的形式。它甚至可以用来执行某些类型的逻辑门，这是任何计算机算法的基础。因此，一个简单的超材料环可以用作机械计算机。

除了力学之外，研究结果表明，不可定向性可能是超材料的稳健设计原则，可以在胶体科学、光子学、磁学和原子物理学等不同领域有效地跨尺度存储信息。它甚至可能对新型量子计算机有用。

Coulais 总结道：“接下来，我们想要利用机器人消失变形的稳健性。我们相信消失的变形可用于制造具有可预测弯曲和运动机制的机械臂和轮子。

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