“預(yù)計(jì)這款力學(xué)非互易性材料具備廣泛應(yīng)用前景，有望在能源、生物領(lǐng)域以及日常運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品中發(fā)揮重要作用。”?
圖 | 王翔（來(lái)源：王翔）
【資料圖】
近日，他和所在課題組成功開(kāi)發(fā)出一種全新的水凝膠材料，標(biāo)志著一類嶄新材料的誕生。這類材料具備獨(dú)特的力學(xué)性能，即對(duì)外力響應(yīng)表現(xiàn)出非對(duì)稱性。
目前看來(lái)，這種力學(xué)非互易性的材料有望用于機(jī)器人、能源和生物相關(guān)領(lǐng)域。這類材料能夠完成一些此前只有機(jī)械結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)的功能，例如開(kāi)關(guān)、將垂直力轉(zhuǎn)化為水平力、將壓力轉(zhuǎn)化為力矩等。
這使得它們能夠有效地替代這些機(jī)械結(jié)構(gòu)，讓機(jī)器設(shè)計(jì)和制造更加簡(jiǎn)便和低廉。而且，當(dāng)機(jī)器尺寸越小，這種替代優(yōu)勢(shì)就越明顯。
此外，力學(xué)非互易性材料能將無(wú)規(guī)的振動(dòng)能量，轉(zhuǎn)化為可利用的定向振動(dòng)能量，因此可被用于能量回收和利用。
通常情況下，對(duì)于無(wú)規(guī)振動(dòng)能量的回收利用，主要通過(guò)壓電材料實(shí)現(xiàn)，但這是種材料是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，因此需要相應(yīng)的設(shè)備來(lái)儲(chǔ)存或利用電能。
而力學(xué)非互易性材料只改變機(jī)械能的傳播方向，對(duì)于能量的回收和利用更為簡(jiǎn)單。在某些特定的環(huán)境下，這種簡(jiǎn)便直接的方式可能更加合適。
同時(shí)，力學(xué)非互易性材料也可用于控制微小生物的行為，因此這種材料同樣能夠用于控制細(xì)胞的培養(yǎng)、遷移、分化以及胚胎的發(fā)育等。
另外，我們還有望在日常生活中看到這種新材料的應(yīng)用。例如，一些跑步鞋的底膠可以采用非互易性的橡膠制備，既能減震又能提供向前的推進(jìn)力，從而降低受傷風(fēng)險(xiǎn)并提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。
（來(lái)源：資料圖）
非互易：常常被忽視，其實(shí)很常見(jiàn)
如前所述，該材料可以對(duì)外力響應(yīng)表現(xiàn)出非對(duì)稱性。這種特性主要在兩個(gè)方面得以體現(xiàn)。在不同方向施加剪切力時(shí)，材料呈現(xiàn)出不同的力學(xué)響應(yīng)。
可以想象，一塊底部固定在桌子上的方塊材料，對(duì)于常規(guī)的彈性材料而言，不論你從哪個(gè)方向推動(dòng)這個(gè)方塊，它的反饋都是一樣的，你能立刻感受到它的軟硬程度。
然而，對(duì)于此次新材料而言，當(dāng)你從方塊的頂部向左推時(shí)，它像果凍一樣柔軟；但當(dāng)你向右推時(shí)，它會(huì)變得堅(jiān)硬如木頭，幾乎無(wú)法移動(dòng)。
在外界振動(dòng)作用之下，這種特性使得材料更傾向于沿著最柔軟的方向發(fā)生形變。以方塊材料為例，假設(shè)桌面發(fā)生劇烈晃動(dòng)，方塊也會(huì)隨之晃動(dòng)，但無(wú)論如何晃動(dòng)方塊總是優(yōu)先向左側(cè)發(fā)生形變，因?yàn)樵谀莻€(gè)方向上材料最為柔軟。
借助這種現(xiàn)象，這款新材料能夠?qū)o(wú)序的振動(dòng)，轉(zhuǎn)化為特定方向的振動(dòng)，因此在引導(dǎo)、阻尼、力學(xué)信號(hào)控制、能量控制等領(lǐng)域具備應(yīng)用潛力。
其獨(dú)特力學(xué)性能還表現(xiàn)在在受到壓力時(shí)，會(huì)對(duì)施壓物體產(chǎn)生偏向指定方向的作用力。我們都知道，當(dāng)垂直向下壓縮一個(gè)彈性物體比如橡膠時(shí)，會(huì)導(dǎo)致物體發(fā)生形變，并受到垂直向上的反作用力。
而這款新材料在受到垂直壓縮時(shí)，由于形變的不對(duì)稱性，反作用力會(huì)偏離垂直方向，朝著事先設(shè)計(jì)好的方向偏移。
因此，當(dāng)一個(gè)小球自由落體到材料上時(shí)，它不會(huì)垂直向上彈起，而是會(huì)向事先設(shè)計(jì)好的方向反彈。這種不對(duì)稱的形變和作用力也能夠被微小生物感知。
舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)把一種只有幾百微米大小的小蟲(chóng)——秀麗隱桿線蟲(chóng)放在材料表面時(shí)，由于自身重力作用，小蟲(chóng)會(huì)引起材料發(fā)生不對(duì)稱的形變，進(jìn)而受到材料在水平方向上的一個(gè)“推力”分量。
這些小蟲(chóng)能夠感知到這種“推力”的存在，并表現(xiàn)出沿著“推力”方向遷移的明顯趨勢(shì)，就像順流而下的船只一樣。
除了上述獨(dú)特的性能本身外，這款新材料之所以得到各領(lǐng)域?qū)＜业恼J(rèn)可，還因?yàn)檫@種對(duì)作用力的不對(duì)稱響應(yīng)屬于“非互易”體系的范疇。
互易性（reciprocity），是指在輸入條件反轉(zhuǎn)或交換時(shí)，同一個(gè)系統(tǒng)或過(guò)程，在不同方向上的行為或效應(yīng)是相同的。
在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中，互易性都是一個(gè)基本的概念，對(duì)于理解和預(yù)測(cè)系統(tǒng)行為、設(shè)計(jì)對(duì)稱性設(shè)備至關(guān)重要。
而當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的對(duì)稱性被打破時(shí)，則將其稱之為“非互易（nonreciprocal）”。對(duì)于非互易的系統(tǒng)，在一個(gè)方向上觀察到的行為或效果，與在相反方向上觀察到的不同。最著名的例子便是二極管，它只允許電流在一個(gè)方向上流動(dòng)，因此是非互易的。
在過(guò)去十年間，光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)和量子力學(xué)等領(lǐng)域相繼發(fā)展出對(duì)應(yīng)的非互易性系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的獨(dú)特不對(duì)稱性，極大拓展研究范圍和應(yīng)用前景，也成為科研熱點(diǎn)之一。
實(shí)際上，從廣義上講，非互易的力學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛用于日常生活中。例如，許多人家里的門只能向內(nèi)或向外打開(kāi)，自行車的棘輪只能向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這些都可以看作是非互易的機(jī)械系統(tǒng)。
然而，由于這種非互易性源于材料形狀或機(jī)械結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用受到極大限制。迄今為止，沒(méi)有任何一種材料能夠呈現(xiàn)力學(xué)上的非互易性。
而此次開(kāi)發(fā)的新材料，是第一種具有本征力學(xué)非互易性能的材料，拓展了非互易力學(xué)體系的范圍和應(yīng)用潛力。
日前，相關(guān)論文以《均勻復(fù)合材料中的機(jī)械非互易性》（Mechanical nonreciprocity in a uniform composite material）為題發(fā)在 Science 上 [1]，王翔是第一作者兼共同通訊，李智豪是第二作者，日本理化學(xué)研究所石田康博教授擔(dān)任共同通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Science）
有審稿人評(píng)論說(shuō)，僅通過(guò)材料本身就能實(shí)現(xiàn)此前只有機(jī)器才能實(shí)現(xiàn)的功能是非常神奇的。還有一位審稿人表示，相信這種思路會(huì)被廣泛推廣到彈性材料的設(shè)計(jì)之中。
（來(lái)源：資料圖）
“一群睡不著覺(jué)的人想出來(lái)的”
最初，本次課題只是另一個(gè)課題的延伸。當(dāng)時(shí)，王翔正在進(jìn)行二維膠體液晶的研究，并發(fā)現(xiàn)了一些獨(dú)特的手性自組裝結(jié)構(gòu)。
于是，他突發(fā)奇想，讓實(shí)驗(yàn)室的碩士研究生李智豪同學(xué)（論文第二作者）嘗試制備具有力學(xué)手性的凝膠材料。王翔預(yù)期這種材料在受到順時(shí)針和逆時(shí)針扭矩時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出不同的響應(yīng)。
嘗試一段時(shí)間之后，他們發(fā)現(xiàn)微觀的手性結(jié)構(gòu)無(wú)法在宏觀上展現(xiàn)手性效應(yīng)，可能是不同手性領(lǐng)域的效應(yīng)相互抵消。
“然而，聰明的李智豪同學(xué)提出了一個(gè)新的想法：既然微觀的方法不行，那我們就用更宏觀的設(shè)計(jì)。他模仿電風(fēng)扇扇葉的手性結(jié)構(gòu)，通過(guò)拼接技術(shù)制備出了一種凝膠。我們對(duì)這種凝膠進(jìn)行了性能測(cè)試，果然發(fā)現(xiàn)在宏觀尺度上表現(xiàn)出了力學(xué)手性。”王翔說(shuō)。
這讓他們對(duì)“力學(xué)手性”這一主題充滿興趣。隨著研究的深入，王翔逐漸產(chǎn)生了一些疑問(wèn)，例如為什么僅僅是模仿扇葉排列就能產(chǎn)生力學(xué)手性、以及力學(xué)手性的意義是什么？
更重要的是，王翔一直感覺(jué)他們好像忽略了一些重要方面。直到有一天，他突然意識(shí)到：“力學(xué)手性”只是“力學(xué)非互易性”的一個(gè)子集，而電風(fēng)扇扇葉結(jié)構(gòu)中的每片“扇葉”，都是一個(gè)具有力學(xué)非互易性的凝膠材料，因此這是一種以前從未存在過(guò)的新材料。
于是，本次研究正式以“力學(xué)非互易性”作為主題。王翔繼續(xù)說(shuō)道：“我們課題組在水凝膠力學(xué)研究上擁有較多經(jīng)驗(yàn)以及先進(jìn)的設(shè)備，因此我們迅速完成了材料優(yōu)化和表征、機(jī)理的分析和模擬、以及大部分的應(yīng)用演示實(shí)驗(yàn)。最后遇到的難題出現(xiàn)在生物行為控制的實(shí)驗(yàn)上。”
生物實(shí)驗(yàn)通常需要較長(zhǎng)的周期，并且為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
為此，王翔與負(fù)責(zé)線蟲(chóng)實(shí)驗(yàn)的邵震華博士，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，期間還遇到了培養(yǎng)基被真菌污染的意外情況。
幸運(yùn)的是，此次材料表現(xiàn)出了出色的性能，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性也非常好，最終在僅僅五個(gè)月內(nèi)就完成了所有的生物實(shí)驗(yàn)。
在研究中也出現(xiàn)了很多巧合和意外。例如，液滴逆重力運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)得到了審稿人的廣泛好評(píng)，而最初之所以設(shè)計(jì)這一實(shí)驗(yàn)，只是為了驗(yàn)證液滴移動(dòng)是由于不對(duì)稱振動(dòng)、而非由于傾斜角度變化所引起的這一推測(cè)。
然而，王翔是在一個(gè)難以入睡的凌晨，想明白了“力學(xué)非互易性”的概念。前一天晚上下班前，他與石田老師進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)多小時(shí)的討論，涉及到多個(gè)課題的進(jìn)展和未來(lái)展望，其中就包括“力學(xué)手性”這個(gè)課題。
他說(shuō)：“回到家后，我的思緒仍在不斷思考，無(wú)法入睡。回想起來(lái)，幸好當(dāng)時(shí)我沒(méi)有放棄思考，否則可能就沒(méi)有這篇論文了。”
有趣的是，后來(lái)他詢問(wèn)已經(jīng)畢業(yè)的李智豪同學(xué)，到底是如何想出電風(fēng)扇扇葉結(jié)構(gòu)的，他也說(shuō)是在半夜無(wú)法入睡時(shí)想到的。
更有趣的是，當(dāng)王翔將這個(gè)故事告訴石田老師時(shí)，后者也坦率地說(shuō)選擇線蟲(chóng)做實(shí)驗(yàn)，也是他在半夜無(wú)法入睡時(shí)想到的。
“因此，我們都開(kāi)玩笑地稱這個(gè)課題是‘一群睡不著覺(jué)的人想出來(lái)的’。這些巧合和意外的經(jīng)歷使整個(gè)研究過(guò)程更具有趣味性，也提醒我們?cè)诳茖W(xué)研究中保持靈感的開(kāi)放性和勇于探索的精神。”王翔表示。
（來(lái)源：資料圖）
另?yè)?jù)悉，目前王翔在日本理化學(xué)研究所新興物質(zhì)科學(xué)中心擔(dān)任研究員（Research Scientist），這是一個(gè)非 PI 的永久職位。他的主要研究方向是軟物質(zhì)材料科學(xué)，涉及到膠體、液晶、凝膠等材料的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。
本次論文發(fā)表之后，他和團(tuán)隊(duì)正在研究能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的非互易材料制備方法，目前主要集中在概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)和小規(guī)模制備方法上。
要使非互易材料真正適用于實(shí)際應(yīng)用，就得開(kāi)發(fā)可擴(kuò)展的制造工藝，以便實(shí)現(xiàn)這些材料的大規(guī)模生產(chǎn)，并能獲得不同尺寸和形狀的產(chǎn)品。
另外，目前的非互易材料僅能在一些簡(jiǎn)單加載條件下實(shí)現(xiàn)非互易性，比如剪切或沿特定方向的對(duì)稱振動(dòng)。
要進(jìn)一步拓展非互易材料的潛在應(yīng)用，就得實(shí)現(xiàn)對(duì)于復(fù)雜加載條件的非互易性，例如來(lái)自任意隨機(jī)方向的加載。
如能實(shí)現(xiàn)，這將推動(dòng)非互易材料的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展，使其在更廣泛的工程和科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮作用。
參考資料：
1.Wang, X., Li, Z., Wang, S., Sano, K., Sun, Z., Shao, Z., ... & Ishida, Y. (2023). Mechanical nonreciprocity in a uniform composite material.Science,380(6641), 192-198.
https://www.youtube.com/watch?v=PVhhZRYo2iY
運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍
