文

脑极体

浪花是如何形成的？

如果把浪花拆解开来，它只剩下一个个水分子。如果再把这些水分子聚集起来，在潮汐力的作用下，浪花才能“涌现”出来。

涌现，也是智慧诞生的方式。由简单的元素和简单的联接，构成一个足够复杂的有机体，智慧可能就从中“涌现”出来，比如人类上千亿神经元细胞组成的大脑，比如数以百万计蚂蚁组成的蚁群，逢山开路、遇水搭桥，完成一只蚂蚁根本无法企及的智慧行动。

如果你还记得《超能陆战队》里那个暖宝宝一样的大白，那你可能还记得小男孩阿宏发明的另一个黑科技，一个蜡笔一样的神经控制微型机器人，单个看起来平平无奇，但一旦成千上万个机器人组合起来，在人的思维控制下，就可以组合成各种形状，完成各种复杂的任务。

这一科幻设定不可谓不奇妙，虽然神经操控的技术还难以实现，但是用简单结构物体拼接成复杂事物的方法，我们则非常熟悉了。比如小孩子都热衷的乐高、数字版乐高《我的世界》。

现在，科研人员又前进了一步。MIT（麻省理工学院）比特和原子研究中心（CBA）的科学家们发明了一种“机械超材料”（mechanicalmetamaterials）的新型材料系统，可以通过一系列微型聚合物材料，制作类似“积木”的微型构件模块，能够表现出一些非常独特的机械性能，比如在受到挤压后能表现出扭转运动。即使在组装成大型复杂立体结构的物体之后，也能保持和基础模块一样的特性。

这种被称为“体素”的新材料，不仅仅是高级乐高玩家们的福音，而且未来可以应用在拼接各类大型复杂物体，包括像汽车、风力涡轮机叶片和各类专用机器人，将有可能用于工业制造、机器人、军事设施以及日常消费等领域。

什么是超材料？

材料（material），在亚里士多德那里，是被称为“四因说”当中的基本因素之一，是那个形而上学始终无法摆脱的“客观实在”。其实对于大多数中国人来说，材料根本一点也不神秘，就是“金木水火土”这类经验世界当中都能直观到的东西。

具体到生活经验中，那就是用来灌溉土地的水、用来制作生活器物的陶土、用来烧火的木柴，用来砍伐耕作的铁器。今天我们稍微归类一下，就是所谓的陶瓷材料、木质材料、金属材料，以及在现代科技和工业上产生的高分子材料、复合材料等。

同样，超材料也是一个现代跨学科研究而出现的新型材料领域，涵盖像电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等学科。

“超材料”只能是由人工设计的结构，并具有天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。

比如，像可以直接将废热转化为可用电力的热电材料，可以作为太阳能电池替代材料的钙钛矿，可以作为绝佳绝缘体的气凝胶。还有像斯坦福大学张首晟教授提出的超导材料Stanene，一种可以在室温下进行零阻力导电的拓扑绝缘体。

最有噱头的超材料是在美国DARPA资助下的一种可以改变覆盖物周围光线速度的隐形材料，非常具有“科幻色彩”。

超材料的特色在于因其大规模特性不同于其组成材料的微观特性而出名，因此它们被多用于电磁领域，主要是围绕其微观结构层面来进行设计，但是研究超材料所具有的宏观机械特性方面的工作还没有展开太多。

因此，体素的提出正是在宏观方面的一次新突破。

体素：一种可柔可刚的机械超材料

体素之所以叫Voxels，就是而为图像像素（Pixel）的三维化而得名。

这种被称为“体素”的“机械超材料”，其特色不在于其材料的特殊性，而在于其设计结构，体素是由注塑成型的聚合物组成的平面架构而成，然后再拼接成三维结构。

上个月，MIT的研究者将他们的成果发表在Science杂志的子刊ScienceAdvances上，提出了四种不同类型的机械超材料子单元结构，也就是四种类型的体素。

如上图所示，这四种体素类型分别是刚性（灰色）、柔顺（紫色）、拉胀（橙色）和手性（蓝色）。

灰色的刚性材料出色的结合了刚性和轻盈的特点，可以应用在既需要高强度特性又需要特定重量的结构物体上，比如赛车。

最近MIT的团队已经和丰田合作，推出了这一“体素”赛车。这辆汽车除了电机和电源外，其余零件都是由体素构成的。据研究团队介绍，他们使用了一个月时间就组装出这一轻量化、高刚性的结构，而如果采用之前传统的玻璃纤维结构方法建造一个类似的结构需要一年的时间。

在实际的演示中，因为赛道路面湿滑，赛车最终撞在了障碍物上（可能有意为之），出乎意料的是，这辆赛车的网格状的内部结构在变形后，完全吸收了冲击力之后发生了反弹，几乎没有出现损坏。如果是传统的采用金属材质的汽车，很可能会严重凹陷，如果是复合材料，则会被撞得粉碎。

这一结果却是振奋人心，未来可能会有大量物品或机械品的外包装结构可以采用这种刚性材料。除了这一标准的刚性体素，其他三种体素也各具其独特特性。

第二种是紫色的“顺应性”体素（

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