“預計這款力學非互易性材料具備廣泛應用前景，有望在能源、生物領域以及日常運動產(chǎn)品中發(fā)揮重要作用。”?

圖 | 王翔（來源：王翔）

【資料圖】

近日，他和所在課題組成功開發(fā)出一種全新的水凝膠材料，標志著一類嶄新材料的誕生。這類材料具備獨特的力學性能，即對外力響應表現(xiàn)出非對稱性。

目前看來，這種力學非互易性的材料有望用于機器人、能源和生物相關領域。這類材料能夠完成一些此前只有機械結(jié)構(gòu)才能實現(xiàn)的功能，例如開關、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械結(jié)構(gòu)，讓機器設計和制造更加簡便和低廉。而且，當機器尺寸越小，這種替代優(yōu)勢就越明顯。

此外，力學非互易性材料能將無規(guī)的振動能量，轉(zhuǎn)化為可利用的定向振動能量，因此可被用于能量回收和利用。

通常情況下，對于無規(guī)振動能量的回收利用，主要通過壓電材料實現(xiàn)，但這是種材料是將機械能轉(zhuǎn)化為電能，因此需要相應的設備來儲存或利用電能。

而力學非互易性材料只改變機械能的傳播方向，對于能量的回收和利用更為簡單。在某些特定的環(huán)境下，這種簡便直接的方式可能更加合適。

同時，力學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力，從而降低受傷風險并提高運動表現(xiàn)。

（來源：資料圖）

非互易：常常被忽視，其實很常見

如前所述，該材料可以對外力響應表現(xiàn)出非對稱性。這種特性主要在兩個方面得以體現(xiàn)。在不同方向施加剪切力時，材料呈現(xiàn)出不同的力學響應。

可以想象，一塊底部固定在桌子上的方塊材料，對于常規(guī)的彈性材料而言，不論你從哪個方向推動這個方塊，它的反饋都是一樣的，你能立刻感受到它的軟硬程度。

然而，對于此次新材料而言，當你從方塊的頂部向左推時，它像果凍一樣柔軟；但當你向右推時，它會變得堅硬如木頭，幾乎無法移動。

在外界振動作用之下，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，假設桌面發(fā)生劇烈晃動，方塊也會隨之晃動，但無論如何晃動方塊總是優(yōu)先向左側(cè)發(fā)生形變，因為在那個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序的振動，轉(zhuǎn)化為特定方向的振動，因此在引導、阻尼、力學信號控制、能量控制等領域具備應用潛力。

其獨特力學性能還表現(xiàn)在在受到壓力時，會對施壓物體產(chǎn)生偏向指定方向的作用力。我們都知道，當垂直向下壓縮一個彈性物體比如橡膠時，會導致物體發(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，由于形變的不對稱性，反作用力會偏離垂直方向，朝著事先設計好的方向偏移。

因此，當一個小球自由落體到材料上時，它不會垂直向上彈起，而是會向事先設計好的方向反彈。這種不對稱的形變和作用力也能夠被微小生物感知。

舉例來說，當把一種只有幾百微米大小的小蟲——秀麗隱桿線蟲放在材料表面時，由于自身重力作用，小蟲會引起材料發(fā)生不對稱的形變，進而受到材料在水平方向上的一個“推力”分量。

這些小蟲能夠感知到這種“推力”的存在，并表現(xiàn)出沿著“推力”方向遷移的明顯趨勢，就像順流而下的船只一樣。

除了上述獨特的性能本身外，這款新材料之所以得到各領域?qū)＜业恼J可，還因為這種對作用力的不對稱響應屬于“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，同一個系統(tǒng)或過程，在不同方向上的行為或效應是相同的。

在各個學科領域中，互易性都是一個基本的概念，對于理解和預測系統(tǒng)行為、設計對稱性設備至關重要。

而當一個系統(tǒng)的對稱性被打破時，則將其稱之為“非互易（nonreciprocal）”。對于非互易的系統(tǒng)，在一個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方向上流動，因此是非互易的。

在過去十年間，光學、聲學、磁學和量子力學等領域相繼發(fā)展出對應的非互易性系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的獨特不對稱性，極大拓展研究范圍和應用前景，也成為科研熱點之一。

實際上，從廣義上講，非互易的力學系統(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，自行車的棘輪只能向一個方向轉(zhuǎn)動，這些都可以看作是非互易的機械系統(tǒng)。

然而，由于這種非互易性源于材料形狀或機械結(jié)構(gòu)，導致這些系統(tǒng)的設計和應用受到極大限制。迄今為止，沒有任何一種材料能夠呈現(xiàn)力學上的非互易性。

而此次開發(fā)的新材料，是第一種具有本征力學非互易性能的材料，拓展了非互易力學體系的范圍和應用潛力。

日前，相關論文以《均勻復合材料中的機械非互易性》（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，日本理化學研究所石田康博教授擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Science）

有審稿人評論說，僅通過材料本身就能實現(xiàn)此前只有機器才能實現(xiàn)的功能是非常神奇的。還有一位審稿人表示，相信這種思路會被廣泛推廣到彈性材料的設計之中。

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“一群睡不著覺的人想出來的”

最初，本次課題只是另一個課題的延伸。當時，王翔正在進行二維膠體液晶的研究，并發(fā)現(xiàn)了一些獨特的手性自組裝結(jié)構(gòu)。

于是，他突發(fā)奇想，讓實驗室的碩士研究生李智豪同學（論文第二作者）嘗試制備具有力學手性的凝膠材料。王翔預期這種材料在受到順時針和逆時針扭矩時，會表現(xiàn)出不同的響應。

嘗試一段時間之后，他們發(fā)現(xiàn)微觀的手性結(jié)構(gòu)無法在宏觀上展現(xiàn)手性效應，可能是不同手性領域的效應相互抵消。

“然而，聰明的李智豪同學提出了一個新的想法：既然微觀的方法不行，那我們就用更宏觀的設計。他模仿電風扇扇葉的手性結(jié)構(gòu)，通過拼接技術制備出了一種凝膠。我們對這種凝膠進行了性能測試，果然發(fā)現(xiàn)在宏觀尺度上表現(xiàn)出了力學手性。”王翔說。

這讓他們對“力學手性”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，例如為什么僅僅是模仿扇葉排列就能產(chǎn)生力學手性、以及力學手性的意義是什么？

更重要的是，王翔一直感覺他們好像忽略了一些重要方面。直到有一天，他突然意識到：“力學手性”只是“力學非互易性”的一個子集，而電風扇扇葉結(jié)構(gòu)中的每片“扇葉”，都是一個具有力學非互易性的凝膠材料，因此這是一種以前從未存在過的新材料。

于是，本次研究正式以“力學非互易性”作為主題。王翔繼續(xù)說道：“我們課題組在水凝膠力學研究上擁有較多經(jīng)驗以及先進的設備，因此我們迅速完成了材料優(yōu)化和表征、機理的分析和模擬、以及大部分的應用演示實驗。最后遇到的難題出現(xiàn)在生物行為控制的實驗上。”

生物實驗通常需要較長的周期，并且為了保證實驗的準確性，需要進行大量實驗并進行統(tǒng)計分析。

為此，王翔與負責線蟲實驗的邵震華博士，在短時間內(nèi)進行了大量的實驗，期間還遇到了培養(yǎng)基被真菌污染的意外情況。

幸運的是，此次材料表現(xiàn)出了出色的性能，實驗重復性也非常好，最終在僅僅五個月內(nèi)就完成了所有的生物實驗。

在研究中也出現(xiàn)了很多巧合和意外。例如，液滴逆重力運輸實驗得到了審稿人的廣泛好評，而最初之所以設計這一實驗，只是為了驗證液滴移動是由于不對稱振動、而非由于傾斜角度變化所引起的這一推測。

然而，王翔是在一個難以入睡的凌晨，想明白了“力學非互易性”的概念。前一天晚上下班前，他與石田老師進行長達兩個多小時的討論，涉及到多個課題的進展和未來展望，其中就包括“力學手性”這個課題。

他說：“回到家后，我的思緒仍在不斷思考，無法入睡。回想起來，幸好當時我沒有放棄思考，否則可能就沒有這篇論文了。”

有趣的是，后來他詢問已經(jīng)畢業(yè)的李智豪同學，到底是如何想出電風扇扇葉結(jié)構(gòu)的，他也說是在半夜無法入睡時想到的。

更有趣的是，當王翔將這個故事告訴石田老師時，后者也坦率地說選擇線蟲做實驗，也是他在半夜無法入睡時想到的。

“因此，我們都開玩笑地稱這個課題是‘一群睡不著覺的人想出來的’。這些巧合和意外的經(jīng)歷使整個研究過程更具有趣味性，也提醒我們在科學研究中保持靈感的開放性和勇于探索的精神。”王翔表示。

（來源：資料圖）

另據(jù)悉，目前王翔在日本理化學研究所新興物質(zhì)科學中心擔任研究員（Research Scientist），這是一個非 PI 的永久職位。他的主要研究方向是軟物質(zhì)材料科學，涉及到膠體、液晶、凝膠等材料的設計與開發(fā)。

本次論文發(fā)表之后，他和團隊正在研究能夠?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證設計和小規(guī)模制備方法上。

要使非互易材料真正適用于實際應用，就得開發(fā)可擴展的制造工藝，以便實現(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單加載條件下實現(xiàn)非互易性，比如剪切或沿特定方向的對稱振動。

要進一步拓展非互易材料的潛在應用，就得實現(xiàn)對于復雜加載條件的非互易性，例如來自任意隨機方向的加載。

如能實現(xiàn)，這將推動非互易材料的應用領域進一步擴展，使其在更廣泛的工程和科學領域中發(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

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