【超能材料之四】百變超構材料 軟硬隨心轉化

用AI學習理論調節參數 盼應用於工業建築防震領域

古典小說《西遊記》中，孫悟空的如意金箍棒有變大變小的神奇功能，從材料角度即是能隨意變化其體積。而在現代科學世界，透過超構材料（Metamaterial，又稱超材料）領域的探索，中文大學物理系教授徐磊及其團隊亦有相當大的突破，不單成功提出嶄新調控材料彈性的理論，更以此設計出彈性隨心所欲的材料，藉其網絡組成結構的細微改變，做到「想軟就軟，想硬就硬」！

團隊目前透過3D打印實驗室製造出多款可自由調節彈性的新型彈性材料，未來將利用人工智能的機器學習理論，進一步調節有關參數，期望日後於工業、建築及防震材料上有廣闊的應用前景。 ●香港文匯報記者 郭虹宇、任智鵬

徐磊日前接受香港文匯報專訪，分享其有關彈性超構材料的研究成果。他表示，物料的彈性主要是看其壓縮模量（受到擠壓）及剪切模量（受平行剪切的力），調節彈性的關鍵之處在於如何調控這兩個模量。普遍來說，固體的兩種模量比例較為固定，剪切模量大、壓縮模量也很大，可以說同大同小，無法調節。

其團隊的目標，便是建構一個功能強大的系統結構，能隨心意調節這兩個模量，成為新型智能彈性材料。團隊透過設計獨特的立體網絡結構，探索網絡的空間及幾何變化，對整個結構的力學彈性有何影響，並首次在理論上發現「拓撲轉變」的增減與材料彈性性質的緊密聯繫，進而做到材料彈性「隨心所欲」。

徐磊解釋說，團隊利用立體結構中構建三角錐的數目等，調節壓縮模量或剪切模量的數值，使其一大一小進行調節材料的彈性。當材料中三角錐較少，就可以調節剪切模量或壓縮模量，有較大的空間調節材料的彈性，而如將結構全部變成由三角錐構造，成為一個完全三角化的體力結構，該材料很像晶體、固體結構的性質，剪切模量及壓縮模量是一個固定的數值，無法調節。

改變拓撲鏈接 同時變硬變軟

至於「拓撲轉變」，則涉及抽象的數學概念。簡單來說，在空間之中，拓撲變量是由點線面的關係組成的，一個平面如果鑽一個洞它的拓撲就會改變，三角錐的拓撲就是從某個頂點的高線突破了垂直的面。徐磊指，透過改變拓撲鏈接，就像一個「鎖頭」，將剪切模量和壓縮模量鎖定在想要的數值，令兩種模量同時變硬、同時變軟。不僅可以最大限度地自由調節材料的彈性，而且用任何材料構建只要達到設定的結構都可以百變隨心，就像「萬精油」一樣的結構系統。

至於最新發展，徐磊指，在搭建該超構材料系統時，非常多的鏈接構件，以往只能一個一個地試，但牽一髮而動全身，經過可能成百上千的實驗才成功。因此，團隊利用AI機器學習的方法，在設計新結構、新功能的時候，找到最優解同時亦找到最有效的鏈接調節模量。

在防衝擊防震有重大潛力

徐磊表示，團隊目前已經成功有效調節彈性超構材料的泊松比（Poisson's ratio），設計出在垂直方向受擠壓之時，水平方向亦會收縮的特殊材料，預計未來會進一步透過機器學習就不同參數作調節及嘗試。

應用方面，他舉例指，因為構建的超構材料可自由調節彈性，故在包括建築與汽車的防衝擊、防震方面有重大潛力，特別是上述垂直及水平方向同時收縮的特殊材料，在愈受擠壓時會愈加結實，提供了自然物料所欠缺的保護力。