在自然界中，生物材料能够根据不同的外界刺激动态地重构其内部结构，进而展现出非凡的能力。例如，可重构的蛋白质组装以及细胞膜的融合与分裂。同样，具有动态键合特性的合成聚合物也能通过键的重构展现出独特的性质，例如自我修复和可回收性。这些转变的本质在于分子间键的动态形成与断裂。然而，相比之下，力学超材料尽管已经发展数十年，却很少能够实现动态可重构。它们一旦被加工制备，其组成元胞间的连接方式就被固定，无法通过外界激励动态改变，限制了其可重构性以及在不同工况下的适应性。这引出了一个问题：能否赋予力学超材料类似生物材料和聚合物的动态键重构能力，从而实现其结构可重构、性能可调控、功能多样化的能力呢？
针对上述问题和挑战，新加坡南洋理工大学王一凡教授团队提出了一种基于可调双稳态（tunable bistability）的颗粒力学超材料（图1）。该材料能够通过机械压缩和热刺激，实现颗粒间连接键的动态形成与断裂，从而使颗粒力学超材料在离散和组装两种状态之间转变。利用这一特点，我们展示了该材料的自适应可重构变形，力学性能的可调控，以及定向移动、物体捕获和跨越间隙等多种群体行为。他们的研究成果发表在Science Advances上，题为“Granular metamaterials with dynamic bond reconfiguration”。
图1：键重构颗粒力学超材料
研究团队利用多材料3D打印技术，开发出由插销（Insertion pin）和夹片（Receiving clip）构成的双材料结构颗粒（图2）。如视频1所示，当颗粒互相压缩时，插销与夹片会自动配对，夹片变形并锁定插销，形成稳定的机械键；加热时，由温度响应材料PLA制成的插销软化，导致对夹片的边界约束减弱，夹片释放其变形能，将插销弹出，机械键断裂，颗粒恢复到未组装状态。借助该特性，颗粒超材料能够在离散和组装两种状态之间灵活切换。
视频1：机械键的可重构
图2：可重构键的力学性能
利用颗粒力学超材料离散化的特点，研究团队展示其在多维度结构组装中的自适应性以及鲁棒性。如视频2所示，从一维线性结构到二维平面组合，再到三维弯曲曲面，颗粒力学超材料通过简单的压缩，能够在不同外部条件和容器形状下自发组装成稳定结构。无论是直线、S形、U形，还是复杂的组装形态，其都展示出对外界条件的高度适应性。这种灵活性源于其颗粒单元的自适应匹配，无需精确定位即可实现稳定连接。其内在鲁棒性确保即使在初始排列和加载条件存在差异的情况下，整体结构仍具备可靠性和功能性。
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视频2：颗粒力学超材料的成键过程
基于颗粒力学超材料的动态键重构能力，研究团队展示了一种利用热刺激实现精准控制的非接触式断键与离散方法（图3）。借助颗粒中夹片的可调双稳态特性，超材料在加热后可由稳定的组装状态转变为离散颗粒结构。通过定点加热逐步触发颗粒的弹射，验证了热刺激下的可控断键过程。此外，研究进一步引入不同热响应材料（如PETG），通过调控温度依次断开不同类型的连接键，实现从整体结构到子结构再到单颗粒的多步离散过程。这种非接触式的热刺激断键方法不仅高效且适用于复杂系统，尤其在机械拆解不现实的情况下展现出显著优势。该方法具有良好的可扩展性，即使在系统微型化后，仍能保持精确控制。
图3：颗粒力学超材料的解离过程
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视频3：颗粒力学超材料的解离过程
研究团队深入探讨了颗粒超材料在组装与未组装状态下的力学性能差异，重点分析了其在压缩、剪切和弯曲条件下的响应（图4）。实验结果表明，组装状态下的颗粒超材料通过内部键的形成实现了显著增强的刚度与承载能力。例如，组装状态的压缩模量约为未组装状态的6.5倍，表现出显著的抗压性能。在剪切测试中，组装状态能够抵抗更高的剪切应变，而未组装颗粒仅表现为颗粒间相对旋转。研究表明，颗粒超材料能够通过状态转换实现力学性能的切换，为开发针对特定需求设计的高性能材料提供了全新思路。
图4：颗粒力学超材料的力学性能
研究团队进一步引入带驱动模块的主动颗粒，实现了颗粒力学超材料的群体行为（图5）。单个主动颗粒内置电机、轮子和微控制器，可实现顺时针或逆时针的简单圆周运动。然而，当主动颗粒与被动颗粒组合为一体后，可实现更高级的群体行为，能够完成复杂的定向运动、物体捕获、跨越障碍以及多任务协同操作。通过压缩组装，结构可以根据任务需求形成特定形状，并在完成任务后通过热刺激实现解组。组装后，颗粒间相对位置的固定配置设计增强了系统的结构完整性和稳定性，同时简化了控制策略，为实现智能机器人和复杂操作中的自适应行为提供了高效的解决方案。
图5：颗粒力学超材料的群体行为
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视频4：颗粒力学超材料的群体行为
本研究通过创新设计和系统实验，实现了颗粒力学超材料在组装与解离过程中的动态适应性和多功能性。未来，这种颗粒力学超材料有望在智能机器人、自适应建筑和柔性电子等领域开辟新的应用方向。通过进一步集成多种响应机制（如磁响应、电响应）并提升微型化制造技术，其功能性和实用性将得到进一步增强，为推动下一代智能材料与系统的开发提供重要支持。
新加坡南洋理工大学王一凡教授为论文通讯作者，孟志强博士为论文第一作者。论文的合作者为美国加州理工学院博士生颜湖杰（清华大学钱学森力学班2022届本科毕业生）。
论文信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq7933
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