超材料設計領域的一項突破性發現揭示了具有內建抗變形能力和機械記憶能力的材料，有望推動機器人和運算領域的發展。阿姆斯特丹大學物理研究所和里昂高等師範學院的研究人員發現瞭如何設計材料，這種材料在受力時必然有一個點或一條線不會變形，甚至能記住過去是如何被戳或擠壓的。這些成果可用於機器人和機械計算機，而類似的設計原理也可用於量子計算機。

3D 列印的莫比烏斯帶（左）和奇數元環（右）。這兩個都是不可定向物體，沿著環必然有一個點不會變形。資料來源：Xiaofei Guo

這些成果是超材料領域的突破：設計材料的反應是由其結構而非化學成分決定的。為了建構具有機械記憶的超材料，物理學家郭曉飛、馬塞洛-古斯曼、大衛-卡朋蒂埃、丹尼斯-巴托洛和科倫廷-庫萊斯意識到，超材料的設計需要”挫折”，而這種挫折對應於一種新型秩序，他們稱之為非定向秩序。

扭曲的物理學

不可定向物體的一個簡單例子是莫比烏斯帶，其製作方法是：取一條材料帶，在上面加半捻，然後將其兩端粘在一起。您可以在家裡用紙條嘗試一下。用手指沿著莫比烏斯帶的表面走，你會發現當你回到起點時，你的手指會在紙的另一面。

莫比烏斯帶是不可定向的，因為無法以一致的方式標記莫比烏斯帶的兩面；扭曲使整個表面成為一個整體。這與簡單的圓柱體（沒有任何扭曲的條帶，兩端粘在一起）形成鮮明對比，後者有明顯的內表面和外表面。

郭和她的同事意識到，這種不定向會強烈影響物體或超材料對推擠的反應。如果把一個簡單的圓柱體和一個莫比烏斯帶放在一個平面上，然後從上往下按壓，你會發現圓柱體的側面會全部凸出（或凹進去），而莫比烏斯帶的側面卻不會這樣。相反，莫比烏斯帶的不可定向性確保了莫比烏斯帶在受壓時不會變形。

三維印製的莫比烏斯帶（上）和兩個奇數元片（中、下）。這些都是不可定向的物體，沿著環必然有一個點不會變形。圖片來源：Xiaofei Guo

令人興奮的是，這種行為遠遠超出了莫比烏斯帶。”我們發現，莫比烏斯帶等不可定向物體的行為允許我們描述任何全局受挫的材料。這些材料自然希望是有序的，但它們結構中的某些東西禁止有序跨越整個系統，並迫使有序模式在空間的某一點或某一線消失。”阿姆斯特丹大學機械材料實驗室負責人庫萊斯解釋說：”如果不切斷結構，就無法消除這個消失點，因此無論如何它都必須存在。”

以此為靈感設計機械超材料

研究團隊設計並用三維列印了自己的機械超材料結構，這種結構表現出與莫比烏斯帶相同的受挫和不可定向行為。他們的設計是基於四角用鉸鏈連接的方形環。當這些環受到擠壓時，相鄰的正方形會向相反的方向旋轉，從而使它們的邊緣更靠近。相鄰方的反向旋轉使系統的反應類似於某些磁性材料中出現的反鐵磁有序現象。

由奇數個正方形組成的圓環是受挫的，因為所有相鄰的正方形都無法向相反的方向旋轉。因此，擠壓後的奇數環表現出不可定向有序性，在這種情況下，環上某一點的旋轉角度必須為零。

作為材料整體形狀的一個特徵，這使其成為一種穩健的拓撲特性。透過將多個元環連接在一起，甚至可以模擬克萊因瓶等高維拓撲結構的力學特性。

具有機械記憶的超材料

擁有強制零變形點或零變形線是賦予材料機械記憶的關鍵，可以在不同的點上按壓超材料環，而不是從四面八方擠壓。這樣，按壓不同點的順序將決定零變形點或零變形線的最終位置。

這是一種儲存資訊的形式，它甚至可以用來執行某些類型的邏輯門，這是任何電腦演算法的基礎。因此，一個簡單的超材料環就能發揮機械計算機的功能。

除了力學之外，研究結果還表明，非定向性可能是超材料的一個強大的設計原則，它可以在膠體科學、光子學、磁學和原子物理學等不同領域有效地跨尺度存儲信息，它甚至可以用於新型量子電腦。

庫萊斯總結道：”下一步，我們希望將消失變形的穩健性用於機器人技術。我們相信，消失變形可用於製造具有可預測彎曲和運動機制的機械臂和輪。”

編譯來源：ScitechDaily