《海賊王》路飛的橡膠手臂能在拉伸后獲得巨大能量，在回彈瞬間錘飛對手。
現在，漫畫竟然變成了現實！科研人員已經創造出一種超材料，當你把它拉伸到一定程度時，會激活儲存在材料里的能量，一松手，爆發力驚人。更牛的是，他們還可以對這種材料進行編程，從而可以按需設計和控制超材料。
這種超材料的創造者，是哈爾濱工業大學（深圳）副教授梁旭東及其合作團隊。近日，這篇論文成果發表在美國《國家科學院院刊》（PNAS）上。
評審專家對這篇論文給出了很高的評價，稱“這項工作是高質量的，并對力學超材料領域發展作出了創新的貢獻”。
超材料配方：磁鐵+橡膠
我們小時候都玩過橡皮筋，當你用力拉伸它并突然松開時，它會瞬間彈出去。想象一下，現在有種超級橡皮筋，當你把它拉伸到某個節點再松手，它會飛得超級遠。
這個假想的超級橡皮筋是該團隊正在創造的一種“磁—彈性力學超材料”。這個超材料有兩個主角：磁鐵和橡膠。
原本不相干的兩種材料，結合到一起會產生怎樣的“魔力”呢？
“我們用激光切割機把橡膠‘挖’出特定的孔洞結構，在孔洞里嵌入磁鐵。當拉伸該材料時，利用一種稱為‘相變’的物理特性，能吸收與釋放巨大的能量?！边@篇文章的第一作者兼通訊作者梁旭東向《中國科學報》介紹。
“相變”這個概念大部分人比較陌生，其實在生活中隨處可見。
當材料從一種狀態轉變到另外一種狀態時，就會發生“相變”。比如固、液、氣三種狀態的變化就是非常典型的“相變”。當冰融化成水，或水變成水蒸氣，就得吸收很多能量；而讓水凝固成冰，則要釋放很多能量。冰和水，水和水蒸氣，都是一種物質的兩種“相”。
不過，上述這些“相變”一般發生在原子與分子尺度，想要捕捉和操控它們都比較困難。
這項研究則要擺到宏觀層面進行，所選的材料也并無過人之處。實驗用的磁鐵直徑為3毫米，和橡膠一起，購買于普通商店。正所謂“平凡鑄就偉大”，就是這么常見的材料，竟然創造出非凡的超能力。
“相變”正是超能力的核心，來自于兩種能量的疊加效應。
梁旭東解釋道，磁鐵能相互吸引、排斥，嵌入到橡膠后，相互吸引的磁鐵會讓孔洞閉合，相互排斥的磁鐵則讓孔洞打開，這是磁場的能量。用力拉伸橡膠時，橡膠本身會發生機械變形，儲存一些彈性能。把這兩種能量疊加，就會轉變成超材料的動能，釋放出更強的爆發力。
從大自然中獲得靈感
大自然是人類最好的老師：受小鳥的啟發，人類發明了飛機；看到魚的潛游，發明了潛水艇；受蝙蝠的啟發，發明了雷達……這項研究也不例外。
“我們從一些能做出閃電般快速反應的生物中獲得了靈感，比如捕蠅草能快速閉合，使飛蟲根本來不及逃脫。”文章共同通訊作者、美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校高分子系教授Alfred J. Crosby說。
梁旭東用螳螂蝦舉例，“螳螂蝦是一種非常神奇的生物，它的前爪能在水底環境大阻力下，僅用0.01秒瞬間就能加速到每秒30米的速度，像錘子一樣敲碎貝殼或擊退捕食者?！?/span>
這種短時間非常高速的爆發運動，是研究團隊基于軟物質在高速變形條件下的力學研究，想要達到的實驗效果。
剖析實驗原理是為了更好地掌控它，為將來的應用階段打下基礎。經過反復實驗，他們發現改變三個方面就能控制“相變”——磁場、孔洞的排布和大小、橡膠材料的選擇。
為此，他們還專門開發了一種數學模型，可以對材料進行編程，從而按需設計和控制“相變”?！澳憧梢灾圃煜胍娜魏晤愋偷摹嘧儭牧?。”Crosby說。
這大大拓寬了應用前景。
比如與軟體機器人相結合。近年來，科技的飛速發展已經研制出一款軟體機器人，這東西可以進入人體遞送藥物，也可以鉆進血管清除血栓。
“我們取得的成果可以用來制作軟體機器人的能量單元，通過儲存能量和輸出能量讓軟體機器人產生高速運動，就像螳螂蝦的前爪一樣秒發猛力，瞬間敲除血栓?！绷盒駯|說。
除了能量釋放方面的應用，能量吸收也能在防護材料領域大有作為。
汽車制造商非常重視汽車防撞結構的制作，當汽車發生猛烈碰撞時，也可以通過超材料的“相變”原理來減緩沖擊、吸收能量，將大部分沖擊能量化解掉，從而達到保護車內乘客的目的。
這項本事還能用于新型安全頭盔制作，甚至可以應用到航母的阻攔索工具上。
學科交叉的“狂歡”
梁旭東在2010年畢業于中山大學的理論與應用力學專業，隨后保送到清華大學攻讀力學專業的碩士研究生，2013年取得碩士學位。
隨后，他赴美國加州大學圣地亞哥分校求學，所學專業為機械工程。機械工程系教授蔡盛強是梁旭東的“貴人”，“正是他把我領入科研之門，他傳授了很多研究方法和思路，讓我對科研產生了濃厚的興趣?！绷盒駯|說。
這時的梁旭東，研究工作更多集中在固體力學，并未涉足在高速變形下的力學超材料研究。直到在美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校做博士后，他的研究視界一下子打開了。
導師Crosby是高分子材料科學家，也是一位不受條條框框約束的“引路人”?！八麖牟粫o學生下達具體任務要求，而是教會我們從不同領域看問題的方法，為我們提供更廣闊的探索空間?！绷盒駯|很感謝這位導師的指導。
這篇最新論文還有一位合作者，名叫付鴻博，是Crosby教授的博士生，他和梁旭東一起完成了實驗的操作和材料的制備。
評審專家在對比了前人利用磁鐵調控力學性能的工作后表示，“之前的研究并沒有呈現類似這篇文章的系統理論分析的深度”。
談及這項研究成功的“秘笈”，梁旭東歸功于學科交叉。從求學經歷來看，這一路走來，梁旭東的所學專業一直在發生變化。他也逐漸意識到，只有打破學科間的桎梏，形成知識的匯聚，才能拓寬眼界與視野。
“學科交叉是科研工作中非常幸運的一件事?！绷盒駯|說，“不同學科、不同領域、不同思想碰撞出的火花，才是最絢爛的。學科交叉的‘狂歡’也是我做科研的啟發和驅動力?！?/span>
