互鎖材料為機器人與基礎設施領域帶來高強度與靈活性

如同鳥巢或蒼耳，一簇訂書釘的強度并非來自化學鍵，而是源于幾何結構的相互咬合。

科羅拉多大學博爾德分校的研究人員正從一團意外結實的辦公室訂書釘中獲得靈感，開發一種新型“纏結材料”。正如鳥巢或蒼耳，一簇訂書釘依靠幾何互鎖而非化學黏結來獲得強度，同時又能通過特定頻率的振動瞬間恢復為松散狀態。

“多年來我們一直在研究砌塊與幾何形狀的創意，但直到最近才開始關注相互咬合、彼此纏結的顆粒，”先進材料與生物啟發實驗室負責人弗朗索瓦·巴特赫拉特教授表示。“我們對這類系統所能展現的性能組合感到興奮，相信這項技術有潛力向多個方向發展，”巴特赫拉特補充道。

幾何的握持力

這項研究的核心在于“纏結”。研究人員通過模仿鳥巢、骨骼礦物等天然結構，來制造超高強度的人工材料。顆粒的形狀在此過程中至關重要。相較于容易滑脫散開的光滑沙粒，特殊設計的幾何外形能使單個顆粒之間發生物理勾連。這種機械鎖定形成的內聚連接，無需黏合劑即可賦予材料結構完整性。

“以沙子為例。沙粒表面光滑且呈凸形，這意味著沙粒之間無法相互鎖緊，”博士生孫侑漢解釋道，“但我們發現，只要改變一顆‘沙粒’的形狀，就能顯著影響其行為與力學性能，包括顆粒與其他顆粒的連接能力。”研究中，團隊運用蒙特卡洛模擬對顆粒幾何形狀進行分析，發現“雙腿”訂書釘形狀能產生最有效的機械互鎖。這些U形顆粒并非松散堆疊，而是相互鉤連編織成一個致密整體，極難被外力拉開。物理測試表明，這類纏結顆粒擁有罕見的雙重優勢——同時具備抗拉強度與卓越韌性。

振動的妙用

這種材料真正的威力在于它對簡單振動的響應。傳統材料具有永久性——例如一座混凝土橋梁會一直存在，直到被粉碎為止。但巴特赫拉特團隊開發的纏結顆粒則截然不同。該材料最突出的特性在于，可通過振動模式實現快速、可逆的組裝控制。有趣的是，纏結程度可以通過振動按需調節：溫和的頻率能將顆粒鎖定為剛性結構，而更強的振動則能觸發整體完全解離。

“這是一種奇特的材料，因為它顯然不是液體，但又不完全是固體。這為工程應用開辟了新奇有趣的可能性，”巴特赫拉特說，“處理一束這種纏結顆粒，感覺非常陌生而奇特。”

纏結材料在可持續性與先進技術領域展現出巨大潛力，尤其是在土木工程與機器人學方面。未來，橋梁等大型結構或許能夠像拉開拉鏈一樣被“拆解”回收，而非直接拆除廢棄。長遠來看，這項技術有望支撐循環經濟的發展。此外，它還能推動群體機器人技術進步——讓成隊的小型機器人相互鎖定組成功能性工具，隨后再解離以穿過狹窄空間，這就像是科幻電影中變形能力的現實版。

“沒錯，有點像是《終結者2》里的液態金屬機器人T-1000，它能改變形狀從門下滑過，然后在另一側恢復成人類大小的形態，”巴特赫拉特補充道。

目前，研究人員正進一步拓展研究邊界，通過測試模仿高抓附力植物蒼耳的多足顆粒形狀，以期實現更強大的纏結效果。

該研究已發表于《應用物理學期刊》。

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