芝加哥大学的一组科学家正在测试机器和材料之间的界限。他们声称，模糊这些界限可以使新技术成为可能。
詹姆斯·弗兰克研究所(James Franck Institute)的物理学教授文森佐·维泰利(Vincenzo Vitelli)说，“我们正试图了解什么是可能的。”如果你对弹性这类学科的基础提出质疑，你肯定会遇到一些有趣的结果。我们发现的概念可能对工程、生物和机器人都有用。”
科学家和工程师们总是在寻找我们周围所看到的所有现象背后的原理。这些原理经常成为新技术的基础——就像热力学的发现导致了工业革命的热机。今天，人们对这一研究特别感兴趣的一个领域是一个被称为“活性物质”的课题，它描述了物质在由微小的引擎驱动的成分组成时的行为。这些引擎可以是合成的，也可以是活的，典型的例子就是鸟群的运动。
“虽然对表现为流体的活动物质进行了大量的研究，但对表现为固体的活动物质的规则的研究却少得多，”威廉·欧文教授说。
描述固体构成的经典方法是用弹簧连接一群物质。在3月2日发表在《自然物理》(Nature Physics)杂志上的一项研究中，维特里、欧文及其合作者试图重新思考固体的性质和行为。他们设想了一种由微型电池驱动的活动弹簧连接起来的固体——把严格意义上的材料变成了机器。
想象材料运动的可视化(插图由Vitelli等人提供)
当他们研究由这样的弹簧制成的固体如何对压力做出反应时——例如，如果你挤压一个足球——他们发现，这种材料不是简单地变形然后弹回来，而是会旋转。
“我们所描述的固体可以被看作是利用形状将内能转化为有用功的弹性发动机，”研究生科林·舍伯纳(Colin Scheibner)说，他与安东·索斯洛夫(Anton Souslov)是这篇论文的共同第一作者(安东曾是芝加哥大学的博士后研究员，现在是巴斯大学(University of Bath)的教员)。
例如，工程师们可能需要一种方法将机器中的压力转换成旋转。
维泰利补充道:“我们发现的简化原理使我们能够探索新的机械性能类别。”
工程师们可以利用奇弹性通过通常抗振动的固体中的弹性波来传递信息;或者他们甚至可以修正化学键本身的概念。“目前，化学键被认为是一个被动的概念，但如果你可以制造一个主动的化学键呢?”这可能会启发设计分子的人，”维泰利说。
复杂动力学项目经理萨姆·斯坦顿说:“这类基础研究揭示了传统方法永远无法为我们提供的机遇。”陆军研究办公室的系统。
其他合著者还有德巴格亚·班纳吉(Debarghya Banerjee)，他是德国莱顿大学(Leiden University)马克斯·普朗克动力学和自组织研究所(Max Planck Institute for Dynamics and自组织)的博士后研究员，以及马克斯·普朗克复杂系统物理研究所(Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems)的彼得·苏罗卡(Piotr Surowka)。
引文:“奇怪的弹性。Scheibner和Souslov等人，《自然物理》，2020年3月2日。https://doi.org/10.1038/s41567-020-0795-y
资助:陆军研究办公室，国家科学基金会(芝加哥MRSEC)，工程和物理科学研究委员会，德国国家科学基金会。