在電影裡，變形金剛可以從一輛車或一架飛機，搖身一變成為人形機器人。那麼，它們為什麼要變呢？
事實上，這不僅僅是為了偽裝和炫酷，更重要的是為了執行不同的任務。
（來源：Pixabay）
比如想要快速移動時，就要變成車或者飛機；要想跟敵人打鬥時，就得變成靈活機動的機器人。
類似的，未來的飛機和智慧機器人，為了適應不同的任務和環境，也需要變化外形或者轉換性能。
21世紀初，美國航空航天局就曾構想過，未來的飛機可以像鳥一樣，其機翼形狀能夠隨飛行狀態而變化，從而在任何場景下都能讓飛行性能處於最優狀態。
類似的需求場景還有很多。例如，對於未來的多功能機器人來說，人們希望它的身體既可以很柔軟、又可以很剛硬，從而讓它既能勝任照顧小孩老人的細活，又能擔當爬樓搬磚的粗活。
北航團隊研究出超快可重構力學超材料，有望用於變體飛行器等領域。
北京航空航天大學潘飛副教授和所在團隊，專門研究可用於航空航天、智能裝備等領域的材料和結構。近年來，他們瞄準形狀可變、性能可調的新型材料和結構，嘗試從力學研究者的角度，提出一些潛在可行的解決方案。
圖|潘飛（來源：潘飛）
力學超材料，是潘飛在研究中的切入點。為何選擇力學超材料？
所謂力學超材料，是指通過人為設計材料的微結構（或曰基本單元），來實現一些天然材料無法實現的新奇特性，例如一壓就扭的「壓扭超材料」。
更為關鍵的是，通過對基本單元的力學設計，能在完成材料加工之後，對性能進行定製化的調節。
為了實現材料形狀和性能的調節，潘飛所在團隊主要關注的是以雙穩態結構為代表的基本單元。
事實上，生活中有很多這樣的雙穩態結構，比如發卡、開關、自行車腳架等等。這種單元通常擁有兩個穩定的狀態，對應著兩個不同的形狀或性能。
對於這兩個穩態來說，無需持續能量輸入它們就能自動維持在某一種狀態，並能在一定的外部激勵下，反覆進行相互切換。由此可見這是一種典型的低功耗方案，只在調節形狀和性能的時候耗能，而維持所需的狀態時不耗能。
利用這些雙穩態結構，潘飛等人致力於讓力學超材料的形狀和性能，能夠做到變化大、變化多、變化准、變化快。
「變化大」，即不同狀態的形狀或性能有足夠大的差異，「變化多」，即需要一個極大的可調節空間，「變化准」是在面對任意目標時都得能夠進行精準調節，能夠「指哪打哪」，「變化快」就是調節的速度必須要快。
在最近一項研究工作中，針對「變化大」和「變化快」的問題，該課題組取得了一定進展，即讓材料在兩個形狀差異較大的狀態之間進行切換，並實現了較快的切換速度。
具體來說，他們設計出了一種超快可重構的力學超材料，其中二維和三維的超材料，能分別達到25.38倍面積/秒，以及101.14倍體積/秒的變化率。
（來源：Advanced Functional Materials）
利用奇異大變形的雙穩態單元，該團隊實現了超材料形狀的快速重構，為超材料變形速度的提高提供了新思路。
預計在快速變形機器人、變體飛行器等領域，上述材料具備一定的潛在應用前景。
不過潘飛坦言：「如果要用到具體的場景上，還有一些問題需要解決，比如如何實現自動快速的展開，只有這樣才能實現真正的『想怎麼變就怎麼變』。」
日前，相關論文以《基於預應力雙穩態殼的超快形狀可重構手性力學超材料》（Ultrafast Shape-Reconfigurable Chiral Mechanical Metamaterial based on Prestressed Bistable Shells）為題發在Advanced Functional Materials上[1]，博士生劉易哲是第一作者，潘飛和北航陳玉麗教授擔任共同通訊作者。
圖|相關論文（來源：Advanced Functional Materials）
童年玩具「啪啪圈」帶來一篇頂刊論文
本次工作的立項來源可謂十分偶然，它受到了一款童年玩具「啪啪圈」的啟發。
潘飛說：「有一次在逛玩具店的時候，我意外發現了這種玩具。它具有兩個穩定的形狀，一個是平坦展開的形狀，一個是捲成一個圈的形狀，這正是一個典型的雙穩態結構。」
「啪」地一聲，它就能以極快的速度從平坦狀態卷在手腕上。這麼快的響應速度和這麼大的變形幅度，讓潘飛覺得很有研究價值。
（來源：Advanced Functional Materials）
回到課題組，他便帶著師弟開始琢磨：這麼簡單的玩具是如何實現雙穩態和快速切換的？它的這些特點是否能幫助他們解決超材料「變化大」和「變化快」的問題？
於是，他們從網上買來一些啪啪圈，把它們剪開之後，發現裡面有一段從鋼圈尺上截下來的金屬片，甚至連鋼圈尺上的刻度都還在。
但是鋼圈尺是沒有雙穩態的。「這下我們更加好奇了，於是開始查找關於啪啪圈生產製造的資料，同時也查閱相關的文獻。很快，我們就找到了一些論文，也找到了一個啪啪圈加工視頻。」潘飛說。
按照這些資料的介紹，只需要把鋼捲尺沿著兩個方向使勁彎一彎，就可以變成啪啪圈。為了驗證這一點，他們把當時實驗室里唯一的一把鋼捲尺剪了。
潘飛說：「文獻和視頻果然沒有騙我們，而且生產啪啪圈和鋼圈尺的廠商可能是同一家。」
接下來，他們仔細閱讀文獻，弄清楚了金屬片雙穩態的來源。從學術角度來講，啪啪圈應該叫預應力金屬殼，更嚴謹地講應該叫非歐幾里得殼。
簡單來說，正是由於「使勁彎一彎」引起的塑性變形，導致鋼圈尺里留下了一定的殘餘應力，從而改變了內部的應力平衡，讓其在不受外部約束和載荷的情況下，仍然具有兩個平衡穩定構型。
而以上過程，只能算是研究團隊和跟本次課題的「初次見面」。歷時許久，直到超材料構型確定下來，才算課題真正確定下來。
為什麼間隔這麼久才開始立項？主要是因為一般的結構構築方式，並不適用於這種結構。
以彈簧等其他軸向伸長縮短的基本單元為例，利用井字格排列等簡單方法就能把超材料構造出來。
但是，啪啪圈的不同之處在於，它是從一個長片捲起來的。捲起來的過程中，它自己和自己還會有接觸，只有這樣才能確保它的一頭會被包在卷內部。
而如果按照常規的構造方式，根本不能把它們組合起來。就算在長片構型下強行組合起來，捲起來的時候也會「打架」，從而生成一種根本無法被協調的變形。
如何解決構造的問題，讓這個課題一直停滯不前。後來，潘飛在另一個課題里做手性蜂窩結構的時候，偶然發現了一種有效的構築方式。
他說：「我發現啪啪圈的這種捲起來的變形，居然跟手性蜂窩是協調的！只需要在收縮的時候，讓它們都卷在手性蜂窩的圓柱形中心上就行。」
這一轉折點過後，課題很快得以立項。隨後，他們結合手性蜂窩和預應力殼，設計出一系列的二維和三維超材料，讓初步概念和思路得以形成。
（來源：Advanced Functional Materials）
在設計完成之後，他們並不確定所設計的超材料，能否實現預期功能。為了驗證該設計概念，很快教研室里的一間小辦公室變成了加工車間。給啪啪圈和亞克力柱打孔的電鑽聲響徹了整個屋子。
這兩種東西都不是很好打孔，不是太硬就是太滑。潘飛說：「儘管第一個樣本只有『八個孔』，但是我們打了很久，可以說是特別的『費師弟』。」
關鍵是，孔打好了還不一定能用，因為有可能擰不進去螺絲。就算把螺絲擰進去了，還非常容易鬆動。
「後來，我們終於完成了第一件『千瘡百孔』的樣品。直到現在，我都依然記得師弟把樣品拿過來的神情，就像是『帶醜媳婦見公婆』那種又高興又嫌棄的樣子。
其實就在那一刻，當一個構想真實地握在手裡時，一種獲得感油然而生。雖然這一版還很粗糙，但是當看到心心念念了這麼久的構型終於實現了，還是非常欣喜的。」潘飛說。
組裝出對應的結構之後，他們開始進行測試，結果證明這種設計思路是可行的。
接著，他們通過有限元仿真，對該結構的基本特徵進行定性和定量分析，藉此也加深了對於預應力殼和超快超材料的理解。
而在前人研究的基礎上，他們還想知道這種超材料速度變快的背後機理。
於是，結合實驗觀察和有限元仿真，課題組建立了預應力殼收縮的動力學模型，從而實現收縮速度的有效計算，也讓他們可以更方便地進行參數研究，進而指導加工工藝的進行。
之後，又對預應力殼和超材料的靜力學和動力學特徵進行實驗性描述，並完成了演示樣品的製作以及應用 demo的展示。
（來源：Advanced Functional Materials）
從本科生到教師的14年北航人，已經集齊5張「一卡通」。
「除了這個工作以外，我們也曾利用從吸管和積木中獲取的靈感，提出了『三維像素力學超材料』，以及基於定製力學性能的『修樓梯』可視化策略。」潘飛說。
都說「藝術源於生活」，科學又何嘗不是呢？啪啪圈、吸管和積木，都是生活中的小物件，但卻蘊含著大智慧。
潘飛表示：「我是一個對生活常見事物比較有好奇心的人，雖然並非所有的好奇心都能催化出來科研成果，但是我自己很喜歡這個鑽研的過程。」
對於本項工作的後續研究，他打算採取「三步走」的路線：
一是把現在的單元做小，讓它看起來更像一個材料而不只是一個結構。關於此，主要面臨的挑戰是如何在小型化結構中，實現預應力的精準布置。
二是目前該結構僅能實現從展開狀態到收縮狀態的快速變化，如何通過外部環境的激勵，讓其展開過程也可以變得更快也是希望解決的挑戰。
三是希望結合智能材料帶來更多應用前景，從而讓它在合適的應用場景發揮實際作用，解決實際問題。
另據悉，2023年是潘飛來到北航的第十四年。從本科到現在他一直都在這裡，目前已經集齊本科、碩士、博士、博士後和教工等五張「一卡通」。
他說：「我很感恩和熱愛在北航，我的幾位導師促成了我從學生到老師的轉變，我很幸運能遇到這麼多的良師益友，他們是我在科研和教學路上的燈塔。」
大三時，他來到北航陳玉麗教授課題組參加科研訓練並一直在此攻讀博士學位。後來在讀博期間，又來到國家奈米科學中心施興華研究員課題組參與聯培。博士畢業之後，潘飛加入北航文力教授的軟體機器人實驗室做博士後。
「總之，在各位老師和朋輩的幫助下，我總能不斷汲取新養分，做自己喜歡做的事，同時也努力地向他們看齊。」潘飛說。
參考資料：
1.Liu, Y., Pan, F., Xiong, F., Wei, Y., Ruan, Y., Ding, B.,...& Chen, Y.(2023). Ultrafast Shape‐Reconfigurable Chiral Mechanical Metamaterial based on Prestressed Bistable Shells.Advanced Functional Materials,2300433.
