互锁材料为机器人与基础设施领域带来高强度与灵活性

如同鸟巢或苍耳，一簇订书钉的强度并非来自化学键，而是源于几何结构的相互咬合。

科罗拉多大学博尔德分校的研究人员正从一团意外结实的办公室订书钉中获得灵感，开发一种新型“缠结材料”。正如鸟巢或苍耳，一簇订书钉依靠几何互锁而非化学黏结来获得强度，同时又能通过特定频率的振动瞬间恢复为松散状态。

“多年来我们一直在研究砌块与几何形状的创意，但直到最近才开始关注相互咬合、彼此缠结的颗粒，”先进材料与生物启发实验室负责人弗朗索瓦·巴特赫拉特教授表示。“我们对这类系统所能展现的性能组合感到兴奋，相信这项技术有潜力向多个方向发展，”巴特赫拉特补充道。

几何的握持力

这项研究的核心在于“缠结”。研究人员通过模仿鸟巢、骨骼矿物等天然结构，来制造超高强度的人工材料。颗粒的形状在此过程中至关重要。相较于容易滑脱散开的光滑沙粒，特殊设计的几何外形能使单个颗粒之间发生物理勾连。这种机械锁定形成的内聚连接，无需黏合剂即可赋予材料结构完整性。

“以沙子为例。沙粒表面光滑且呈凸形，这意味着沙粒之间无法相互锁紧，”博士生孙侑汉解释道，“但我们发现，只要改变一颗‘沙粒’的形状，就能显著影响其行为与力学性能，包括颗粒与其他颗粒的连接能力。”研究中，团队运用蒙特卡洛模拟对颗粒几何形状进行分析，发现“双腿”订书钉形状能产生最有效的机械互锁。这些U形颗粒并非松散堆叠，而是相互钩连编织成一个致密整体，极难被外力拉开。物理测试表明，这类缠结颗粒拥有罕见的双重优势——同时具备抗拉强度与卓越韧性。

振动的妙用

这种材料真正的威力在于它对简单振动的响应。传统材料具有永久性——例如一座混凝土桥梁会一直存在，直到被粉碎为止。但巴特赫拉特团队开发的缠结颗粒则截然不同。该材料最突出的特性在于，可通过振动模式实现快速、可逆的组装控制。有趣的是，缠结程度可以通过振动按需调节：温和的频率能将颗粒锁定为刚性结构，而更强的振动则能触发整体完全解离。

“这是一种奇特的材料，因为它显然不是液体，但又不完全是固体。这为工程应用开辟了新奇有趣的可能性，”巴特赫拉特说，“处理一束这种缠结颗粒，感觉非常陌生而奇特。”

缠结材料在可持续性与先进技术领域展现出巨大潜力，尤其是在土木工程与机器人学方面。未来，桥梁等大型结构或许能够像拉开拉链一样被“拆解”回收，而非直接拆除废弃。长远来看，这项技术有望支撑循环经济的发展。此外，它还能推动群体机器人技术进步——让成队的小型机器人相互锁定组成功能性工具，随后再解离以穿过狭窄空间，这就像是科幻电影中变形能力的现实版。

“没错，有点像是《终结者2》里的液态金属机器人T-1000，它能改变形状从门下滑过，然后在另一侧恢复成人类大小的形态，”巴特赫拉特补充道。

目前，研究人员正进一步拓展研究边界，通过测试模仿高抓附力植物苍耳的多足颗粒形状，以期实现更强大的缠结效果。

该研究已发表于《应用物理学期刊》。

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