一种未来材料如何改变其性质从柔软变为坚硬再变回柔软

在我们的日常生活中，我们周围都是具有特定功能的物体。刚性和柔软性使物体能够发挥特定的功能。这些属性在本质上似乎是对立的，并且一种属性不能被另一种属性取代。

例如，枕头柔软，可以提供必要的缓冲和舒适感。擀面杖坚硬而圆润，能够擀过面团。这些物体一旦制成，其属性就无法改变。枕头无法压平面团，擀面杖无法为头部和颈部提供支撑。

但想象一下，如果像枕头一样柔软的物体可以变成像擀面杖一样坚硬的物体。只需一个简单的开关，该物体就可以获得坚硬材料的属性和功能，再按一下，就可以获得柔软材料的属性和功能。

能够做到这一点的材料将使一个物体具有多种功能。这种多功能性将必然大幅减少我们的资源使用。这将代表日常技术可持续未来的范式转变。

未来材料

我与其他材料科学家、物理学家和工程师一起研究可重构机械超材料。这是一类可重新编程的多用途超材料，具有可转换的内部结构。

这些材料具有三种对立的(看似相互抵消的)特性：柔软、坚硬和多稳定性。这意味着用户可以根据需要重新编程其特性，使其变硬或变软，如果需要，甚至可以变多稳定性。

由这种一体化超材料制成的物体可以变得坚硬，以抵抗刚性结构所施加的外力，形状变化为柔软机制，或捕获和吸收多稳态材料所具有的能量。

制造后

一种材料在制造后能够获得结构、机制或多稳态物质的特性，这是因为它的构成块(在本例中为元铰链)的排列。

这种重新排列可以通过在特定压力点施加力来触发。在重新配置过程中，它们的边缘会接触，最终合并并关闭中心空隙，形成一个灵活的铰链。在一种配置中，由于未形成金属铰链，因此构建块是刚性的，而在另一种配置中，元铰链的激活会围绕中心枢轴产生局部旋转，使其变得松软。

元铰链激活可将结构变成松软的机构：左侧的刚性弯曲梁承受施加的负载时几乎不会变形，而右侧的同一根梁在施加相同负载时会变得非常松软，并朝相反方向下垂。图片来源：D.Pasini和L.Wu，CCBY

可重构构件可用于创建具有可重新编程特性的多功能结构。例如，一维梁在其跨中施加负载时，可表现为刚性或松软结构。

另一方面，在二维空间中对构建块进行镶嵌可以创建三种类型的重构，每种重构都与给定的一类宏观固体相对应，即刚性、松散或介于两者之间的多稳态。也可以扩展到三维空间。

可从属性可重新编程中获益的多功能产品涵盖多个领域。除了物理属性之外，其他几何属性也可以重新编程。例如，单元的可重新配置性可以带来产品尺寸和形状的整体变化。

通过多功能产品促进可持续发展，例如这种可重新配置的不同状态的衣架：完全展开时宽度为52厘米，收缩时宽度为16厘米。图片来源：D.Pasini、L.Wu和A.Sitbon，CCBY

多功能衣架就是一个例子。通过选择性地激活某些铰链，衣架可以折叠起来以节省空间并方便运输，并在需要时以不同的尺寸和形式展开以容纳不同尺寸的衣服。这提供了前所未有的多功能性，从而实现了可持续的资源利用。

这种一体化超材料有助于创造多用途产品。这种多功能性有望减少资源的使用，为我们未来的技术开辟一条可持续的道路，并有助于实现我们世界设定的可持续发展目标，从而为更绿色、更具弹性的未来铺平道路。

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