麻省理工學院與東北大學合作研發新型抗衝擊材料模仿葉脈與蜻蜓翅膀結構

在各個領域的進步依賴於最佳質量的材料。最近，研究人員設計出一類新的「富尺度超材料」，透過引入受自然網絡啟發的控制性混亂，如葉脈和蜻蜓翅膀的靜脈。工程師們花了數十年追求數學上的完美，設計合成的「超材料」，模仿相同的微觀基本單位以創造堅固的蜂窩和晶格。然而，麻省理工學院（MIT）與東北大學的最新合作證明，少許混亂的設計效果更佳。物理測試證明這些不規則材料在抗衝擊方面表現得更好，提供可調的剛性，並保護內部脆弱物體不受損害。

這項技術有望推動更安全的運動頭盔和輕量化防彈衣的發展，並可能實現高精度控制聲波和震動的精密聲學透鏡。

富尺度超材料的設計

研究引入了「富尺度超材料」。這些合成結構摒棄了均勻的網格，取而代之的是模仿葉脈、神經連接甚至互聯網的雜亂無章的物理網絡。均勻的超材料存在一個弱點：當重複晶格中的單個單元出現裂紋或刺穿時，周圍相同的單元會立即跟隨，導致鏈式反應的崩潰。麻省理工學院副教授卡洛斯·波特拉（Carlos Portela）及其團隊希望切斷這種局部失效，因此他們與東北大學的物理學家阿爾貝特·巴拉巴西（Albert-László Barabási）合作，巴拉巴西是網絡科學的先驅。

他的職業生涯致力於描繪從社交媒體連結到金融市場的隱形網絡，以觀察這些網絡如何抵抗崩潰。研究人員共同將這些抽象的數學規則轉化為具體的物理材料。

團隊編寫了一個算法，生成不使用任何重複圖案的材料虛擬藍圖。該程序在空間中隨機選擇一個點，並在整個區域繪製一條線。新聞稿中解釋，然後它選擇第二個隨機點並繪製一條線，當碰到第一條線或外邊緣時停止。重複這一過程數千次，創造出一種密集的、類似網絡的建築結構，具有各種大小和厚度的交叉支撐梁。團隊開發出一個算法，虛擬生成一個具物理材料約束的支撐梁網絡。在這裡，支撐梁網絡形成了麻省理工學院的標誌。

材料剛性的調整方法

科學家可以通過調整算法中的兩個參數來自定義材料的剛性：初始線的厚度和隨後線變薄的速度。在模擬這些變化後，研究人員 3D 列印了信用卡大小的聚合物樣本，樣本中包含從微米到釐米的互聯梁。此外，物理測試確認這些混亂的網絡在各方面均優於常規有序材料。富尺度設計能夠吸收突如其來的劇烈衝擊而不會變形，提供廣泛的可調剛度，並成功緩衝深埋其中的精緻物體。“這對於超材料而言是一種全新的思維方式，”波特拉表示。

“解鎖這種材料的網絡設計，讓我們可以自由思考新的微結構和機械優勢，這在以前是無法實現的。”在實際應用中，製造商可以很快利用該算法打印下一代運動頭盔、輕量化防彈衣，以及能夠以前所未有的控制集中聲波和震動的精密聲學透鏡。研究結果已發表在《自然》期刊上。

新材料設計對安全裝備的影響

新型「富尺度超材料」的開發展示了自然界結構的啟發如何轉化為實際應用，特別是在運動頭盔和防彈衣等安全裝備方面。這類材料的抗衝擊性能優越，能夠有效保護內部脆弱物體，對於提升產品安全性具有重大意義。此外，這項研究的成功也顯示出數學與物理的交叉合作能夠創造出前所未有的材料設計，為未來的科技發展提供新思路。