超材料设计的一项突破性发现揭示了具有内置抗变形性和机械记忆力的材料，有望在机器人和计算领域取得进步。
阿姆斯特丹大学物理研究所（University of Amsterdam Institute of Physics）和里昂ENS的研究人员发现了如何设计材料，这些材料必须具有一个点或线，使材料在应力下不会变形，甚至还记得它们过去是如何被戳或挤压的。这些结果可用于机器人和机械计算机，而类似的设计原理可用于量子计算机。
其结果是超材料领域的突破：设计材料的响应由其结构而不是化学成分决定。为了构建一种具有机械记忆的超材料，物理学家郭晓飞、马塞洛·古兹曼、大卫·卡彭蒂埃、丹尼斯·巴托洛和科伦丁·库莱斯意识到它的设计需要“受挫”，而这种受挫对应于一种新型的有序，他们称之为不可定向有序。
扭曲的物理学
不可定向物体的一个简单例子是莫比乌斯带，它是通过取一条材料，在其上添加半个扭曲，然后将其末端粘合在一起制成的。你可以在家里用一张纸条试试这个。用手指沿着莫比乌斯条的表面，你会发现当你回到起点时，你的手指将在纸的另一面。
莫比乌斯条是不可定向的，因为无法以一致的方式标记条带的两侧;扭曲使整个表面变得相同。这与简单的圆柱体（没有任何扭曲的条带，其末端粘在一起）形成鲜明对比，后者具有不同的内表面和外表面。
Guo和她的同事们意识到，这种非定向性强烈地影响了物体或超材料对被推或挤压的反应。如果你把一个简单的圆柱体和一个莫比乌斯条放在一个平坦的表面上，然后从上面向下压它们，你会发现圆柱体的侧面都会凸出（或向内），而莫比乌斯带的侧面不能这样做。相反，后者的不可定向性确保了带材上总有一个点不会在压力下变形。
一个3D打印的莫比乌斯带（上）和两个奇数元环（中间和下）。这些都是不可定向的物体，它们必然在环上有一个不会变形的点。
挫折并不总是一件坏事
令人兴奋的是，这种行为远远超出了莫比乌斯带的范围。“我们发现，不可定向物体（如莫比乌斯带）的行为使我们能够描述任何全局受挫的材料。这些材料自然希望有序，但它们结构中的某些东西禁止有序跨越整个系统，并迫使有序模式在空间中的某一点或一条线上消失。如果不切割结构，就无法摆脱那个消失点，所以无论如何它都必须在那里，“阿姆斯特丹大学机械材料实验室负责人Coulais解释道。
设计机械超材料
研究小组设计并3D打印了他们自己的机械超材料结构，这些结构表现出与莫比乌斯带相同的挫折和不可定向的行为。他们的设计基于由拐角处的铰链连接的方形环。当这些环被挤压时，相邻的正方形将向相反的方向旋转，使它们的边缘靠得更近。相邻的相反旋转使系统的响应类似于某些磁性材料中发生的反铁磁有序。
由奇数个方块组成的环是受挫的，因为所有相邻的方块都不可能向相反的方向旋转。因此，挤压的奇数环表现出不可定向的顺序，其中沿环的某一点的旋转角度必须为零。
作为材料整体形状的一个特征，使其成为一种强大的拓扑特性。通过将多个元环连接在一起，甚至可以模拟更高维拓扑结构（如克莱因瓶）的力学。
具有机械记忆的超材料
拥有一个强制的零变形点或线是赋予材料机械记忆的关键。您可以在不同的点按压环，而不是从四面八方挤压超材料环。这样一来，按下不同点的顺序就决定了零变形点或零变形线的终点。
这是一种存储信息的形式。它甚至可以用于执行某些类型的逻辑门，这是任何计算机算法的基础。因此，一个简单的超材料环可以用作机械计算机。
广泛的应用和未来前景
除了力学之外，该研究的结果表明，非定向性可能是超材料的一个强大的设计原则，它可以有效地跨尺度存储信息，涉及胶体科学、光子学、磁学和原子物理学等多个领域。它甚至可能对新型量子计算机有用。
Coulais总结道：“接下来，我们希望利用机器人消失变形的鲁棒性。我们相信消失的变形可以用来制造具有可预测的弯曲和运动机制的机械臂和轮子。
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