《海賊王》路飛的橡膠手臂能在拉伸后獲得巨大能量，在回彈瞬間錘飛對手。

　　現(xiàn)在，漫畫竟然變成了現(xiàn)實(shí)!科研人員已經(jīng)創(chuàng)造出一種超材料，當(dāng)你把它拉伸到一定程度時(shí)，會激活儲存在材料里的能量，一松手，爆發(fā)力驚人。更牛的是，他們還可以對這種材料進(jìn)行編程，從而可以按需設(shè)計(jì)和控制超材料。

　　這種超材料的創(chuàng)造者，是哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)副教授梁旭東及其合作團(tuán)隊(duì)。近日，這篇論文成果發(fā)表在美國《國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上。

　　評審專家對這篇論文給出了很高的評價(jià)，稱“這項(xiàng)工作是高質(zhì)量的，并對力學(xué)超材料領(lǐng)域發(fā)展作出了創(chuàng)新的貢獻(xiàn)”。

　　超材料配方：磁鐵+橡膠

　　我們小時(shí)候都玩過橡皮筋，當(dāng)你用力拉伸它并突然松開時(shí)，它會瞬間彈出去。想象一下，現(xiàn)在有種超級橡皮筋，當(dāng)你把它拉伸到某個(gè)節(jié)點(diǎn)再松手，它會飛得超級遠(yuǎn)。

　　這個(gè)假想的超級橡皮筋是該團(tuán)隊(duì)正在創(chuàng)造的一種“磁—彈性力學(xué)超材料”。這個(gè)超材料有兩個(gè)主角：磁鐵和橡膠。

　　原本不相干的兩種材料，結(jié)合到一起會產(chǎn)生怎樣的“魔力”呢?

　　“我們用激光切割機(jī)把橡膠‘挖’出特定的孔洞結(jié)構(gòu)，在孔洞里嵌入磁鐵。當(dāng)拉伸該材料時(shí)，利用一種稱為‘相變’的物理特性，能吸收與釋放巨大的能量?！边@篇文章的第一作者兼通訊作者梁旭東向《中國科學(xué)報(bào)》介紹。

　　“相變”這個(gè)概念大部分人比較陌生，其實(shí)在生活中隨處可見。

　　當(dāng)材料從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另外一種狀態(tài)時(shí)，就會發(fā)生“相變”。比如固、液、氣三種狀態(tài)的變化就是非常典型的“相變”。當(dāng)冰融化成水，或水變成水蒸氣，就得吸收很多能量;而讓水凝固成冰，則要釋放很多能量。冰和水，水和水蒸氣，都是一種物質(zhì)的兩種“相”。

　　不過，上述這些“相變”一般發(fā)生在原子與分子尺度，想要捕捉和操控它們都比較困難。

　　這項(xiàng)研究則要擺到宏觀層面進(jìn)行，所選的材料也并無過人之處。實(shí)驗(yàn)用的磁鐵直徑為3毫米，和橡膠一起，購買于普通商店。正所謂“平凡鑄就偉大”，就是這么常見的材料，竟然創(chuàng)造出非凡的超能力。

　　“相變”正是超能力的核心，來自于兩種能量的疊加效應(yīng)。

　　梁旭東解釋道，磁鐵能相互吸引、排斥，嵌入到橡膠后，相互吸引的磁鐵會讓孔洞閉合，相互排斥的磁鐵則讓孔洞打開，這是磁場的能量。用力拉伸橡膠時(shí)，橡膠本身會發(fā)生機(jī)械變形，儲存一些彈性能。把這兩種能量疊加，就會轉(zhuǎn)變成超材料的動能，釋放出更強(qiáng)的爆發(fā)力。

　　從大自然中獲得靈感

　　大自然是人類最好的老師：受小鳥的啟發(fā)，人類發(fā)明了飛機(jī);看到魚的潛游，發(fā)明了潛水艇;受蝙蝠的啟發(fā)，發(fā)明了雷達(dá)……這項(xiàng)研究也不例外。

　　“我們從一些能做出閃電般快速反應(yīng)的生物中獲得了靈感，比如捕蠅草能快速閉合，使飛蟲根本來不及逃脫?！蔽恼鹿餐ㄓ嵶髡摺⒚绹R薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校高分子系教授Alfred J. Crosby說。

　　梁旭東用螳螂蝦舉例，“螳螂蝦是一種非常神奇的生物，它的前爪能在水底環(huán)境大阻力下，僅用0.01秒瞬間就能加速到每秒30米的速度，像錘子一樣敲碎貝殼或擊退捕食者。”

　　這種短時(shí)間非常高速的爆發(fā)運(yùn)動，是研究團(tuán)隊(duì)基于軟物質(zhì)在高速變形條件下的力學(xué)研究，想要達(dá)到的實(shí)驗(yàn)效果。

　　剖析實(shí)驗(yàn)原理是為了更好地掌控它，為將來的應(yīng)用階段打下基礎(chǔ)。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)改變?nèi)齻€(gè)方面就能控制“相變”——磁場、孔洞的排布和大小、橡膠材料的選擇。

　　為此，他們還專門開發(fā)了一種數(shù)學(xué)模型，可以對材料進(jìn)行編程，從而按需設(shè)計(jì)和控制“相變”?！澳憧梢灾圃煜胍娜魏晤愋偷摹嘧儭牧??！盋rosby說。

　　這大大拓寬了應(yīng)用前景。

　　比如與軟體機(jī)器人相結(jié)合。近年來，科技的飛速發(fā)展已經(jīng)研制出一款軟體機(jī)器人，這東西可以進(jìn)入人體遞送藥物，也可以鉆進(jìn)血管清除血栓。

　　“我們?nèi)〉玫某晒梢杂脕碇谱鬈涹w機(jī)器人的能量單元，通過儲存能量和輸出能量讓軟體機(jī)器人產(chǎn)生高速運(yùn)動，就像螳螂蝦的前爪一樣秒發(fā)猛力，瞬間敲除血栓?！绷盒駯|說。

　　除了能量釋放方面的應(yīng)用，能量吸收也能在防護(hù)材料領(lǐng)域大有作為。

　　汽車制造商非常重視汽車防撞結(jié)構(gòu)的制作，當(dāng)汽車發(fā)生猛烈碰撞時(shí)，也可以通過超材料的“相變”原理來減緩沖擊、吸收能量，將大部分沖擊能量化解掉，從而達(dá)到保護(hù)車內(nèi)乘客的目的。

　　這項(xiàng)本事還能用于新型安全頭盔制作，甚至可以應(yīng)用到航母的阻攔索工具上。

　　學(xué)科交叉的“狂歡”

　　梁旭東在2010年畢業(yè)于中山大學(xué)的理論與應(yīng)用力學(xué)專業(yè)，隨后保送到清華大學(xué)攻讀力學(xué)專業(yè)的碩士研究生，2013年取得碩士學(xué)位。

　　隨后，他赴美國加州大學(xué)圣地亞哥分校求學(xué)，所學(xué)專業(yè)為機(jī)械工程。機(jī)械工程系教授蔡盛強(qiáng)是梁旭東的“貴人”，“正是他把我領(lǐng)入科研之門，他傳授了很多研究方法和思路，讓我對科研產(chǎn)生了濃厚的興趣。”梁旭東說。

　　這時(shí)的梁旭東，研究工作更多集中在固體力學(xué)，并未涉足在高速變形下的力學(xué)超材料研究。直到在美國馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校做博士后，他的研究視界一下子打開了。

　　導(dǎo)師Crosby是高分子材料科學(xué)家，也是一位不受條條框框約束的“引路人”?！八麖牟粫o學(xué)生下達(dá)具體任務(wù)要求，而是教會我們從不同領(lǐng)域看問題的方法，為我們提供更廣闊的探索空間?！绷盒駯|很感謝這位導(dǎo)師的指導(dǎo)。

　　這篇最新論文還有一位合作者，名叫付鴻博，是Crosby教授的博士生，他和梁旭東一起完成了實(shí)驗(yàn)的操作和材料的制備。

　　評審專家在對比了前人利用磁鐵調(diào)控力學(xué)性能的工作后表示，“之前的研究并沒有呈現(xiàn)類似這篇文章的系統(tǒng)理論分析的深度”。

　　談及這項(xiàng)研究成功的“秘笈”，梁旭東歸功于學(xué)科交叉。從求學(xué)經(jīng)歷來看，這一路走來，梁旭東的所學(xué)專業(yè)一直在發(fā)生變化。他也逐漸意識到，只有打破學(xué)科間的桎梏，形成知識的匯聚，才能拓寬眼界與視野。

　　“學(xué)科交叉是科研工作中非常幸運(yùn)的一件事?！绷盒駯|說，“不同學(xué)科、不同領(lǐng)域、不同思想碰撞出的火花，才是最絢爛的。學(xué)科交叉的‘狂歡’也是我做科研的啟發(fā)和驅(qū)動力?！?/p>

　　論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2118161119