“预计这款力学非互易性材料具备广泛应用前景，有望在能源、生物领域以及日常运动产品中发挥重要作用。”
图 | 王翔（来源：王翔）
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近日，他和所在课题组成功开发出一种全新的水凝胶材料，标志着一类崭新材料的诞生。这类材料具备独特的力学性能，即对外力响应表现出非对称性。
目前看来，这种力学非互易性的材料有望用于机器人、能源和生物相关领域。这类材料能够完成一些此前只有机械结构才能实现的功能，例如开关、将垂直力转化为水平力、将压力转化为力矩等。
这使得它们能够有效地替代这些机械结构，让机器设计和制造更加简便和低廉。而且，当机器尺寸越小，这种替代优势就越明显。
此外，力学非互易性材料能将无规的振动能量，转化为可利用的定向振动能量，因此可被用于能量回收和利用。
通常情况下，对于无规振动能量的回收利用，主要通过压电材料实现，但这是种材料是将机械能转化为电能，因此需要相应的设备来储存或利用电能。
而力学非互易性材料只改变机械能的传播方向，对于能量的回收和利用更为简单。在某些特定的环境下，这种简便直接的方式可能更加合适。
同时，力学非互易性材料也可用于控制微小生物的行为，因此这种材料同样能够用于控制细胞的培养、迁移、分化以及胚胎的发育等。
另外，我们还有望在日常生活中看到这种新材料的应用。例如，一些跑步鞋的底胶可以采用非互易性的橡胶制备，既能减震又能提供向前的推进力，从而降低受伤风险并提高运动表现。
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非互易：常常被忽视，其实很常见
如前所述，该材料可以对外力响应表现出非对称性。这种特性主要在两个方面得以体现。在不同方向施加剪切力时，材料呈现出不同的力学响应。
可以想象，一块底部固定在桌子上的方块材料，对于常规的弹性材料而言，不论你从哪个方向推动这个方块，它的反馈都是一样的，你能立刻感受到它的软硬程度。
然而，对于此次新材料而言，当你从方块的顶部向左推时，它像果冻一样柔软；但当你向右推时，它会变得坚硬如木头，几乎无法移动。
在外界振动作用之下，这种特性使得材料更倾向于沿着最柔软的方向发生形变。以方块材料为例，假设桌面发生剧烈晃动，方块也会随之晃动，但无论如何晃动方块总是优先向左侧发生形变，因为在那个方向上材料最为柔软。
借助这种现象，这款新材料能够将无序的振动，转化为特定方向的振动，因此在引导、阻尼、力学信号控制、能量控制等领域具备应用潜力。
其独特力学性能还表现在在受到压力时，会对施压物体产生偏向指定方向的作用力。我们都知道，当垂直向下压缩一个弹性物体比如橡胶时，会导致物体发生形变，并受到垂直向上的反作用力。
而这款新材料在受到垂直压缩时，由于形变的不对称性，反作用力会偏离垂直方向，朝着事先设计好的方向偏移。
因此，当一个小球自由落体到材料上时，它不会垂直向上弹起，而是会向事先设计好的方向反弹。这种不对称的形变和作用力也能够被微小生物感知。
举例来说，当把一种只有几百微米大小的小虫——秀丽隐杆线虫放在材料表面时，由于自身重力作用，小虫会引起材料发生不对称的形变，进而受到材料在水平方向上的一个“推力”分量。
这些小虫能够感知到这种“推力”的存在，并表现出沿着“推力”方向迁移的明显趋势，就像顺流而下的船只一样。
除了上述独特的性能本身外，这款新材料之所以得到各领域专家的认可，还因为这种对作用力的不对称响应属于“非互易”体系的范畴。
互易性（reciprocity），是指在输入条件反转或交换时，同一个系统或过程，在不同方向上的行为或效应是相同的。
在各个学科领域中，互易性都是一个基本的概念，对于理解和预测系统行为、设计对称性设备至关重要。
而当一个系统的对称性被打破时，则将其称之为“非互易（nonreciprocal）”。对于非互易的系统，在一个方向上观察到的行为或效果，与在相反方向上观察到的不同。最著名的例子便是二极管，它只允许电流在一个方向上流动，因此是非互易的。
在过去十年间，光学、声学、磁学和量子力学等领域相继发展出对应的非互易性系统。这些系统的独特不对称性，极大拓展研究范围和应用前景，也成为科研热点之一。
实际上，从广义上讲，非互易的力学系统已经广泛用于日常生活中。例如，许多人家里的门只能向内或向外打开，自行车的棘轮只能向一个方向转动，这些都可以看作是非互易的机械系统。
然而，由于这种非互易性源于材料形状或机械结构，导致这些系统的设计和应用受到极大限制。迄今为止，没有任何一种材料能够呈现力学上的非互易性。
而此次开发的新材料，是第一种具有本征力学非互易性能的材料，拓展了非互易力学体系的范围和应用潜力。
日前，相关论文以《均匀复合材料中的机械非互易性》（Mechanical nonreciprocity in a uniform composite material）为题发在 Science 上 [1]，王翔是第一作者兼共同通讯，李智豪是第二作者，日本理化学研究所石田康博教授担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Science）
有审稿人评论说，仅通过材料本身就能实现此前只有机器才能实现的功能是非常神奇的。还有一位审稿人表示，相信这种思路会被广泛推广到弹性材料的设计之中。
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“一群睡不着觉的人想出来的”
最初，本次课题只是另一个课题的延伸。当时，王翔正在进行二维胶体液晶的研究，并发现了一些独特的手性自组装结构。
于是，他突发奇想，让实验室的硕士研究生李智豪同学（论文第二作者）尝试制备具有力学手性的凝胶材料。王翔预期这种材料在受到顺时针和逆时针扭矩时，会表现出不同的响应。
尝试一段时间之后，他们发现微观的手性结构无法在宏观上展现手性效应，可能是不同手性领域的效应相互抵消。
“然而，聪明的李智豪同学提出了一个新的想法：既然微观的方法不行，那我们就用更宏观的设计。他模仿电风扇扇叶的手性结构，通过拼接技术制备出了一种凝胶。我们对这种凝胶进行了性能测试，果然发现在宏观尺度上表现出了力学手性。”王翔说。
这让他们对“力学手性”这一主题充满兴趣。随着研究的深入，王翔逐渐产生了一些疑问，例如为什么仅仅是模仿扇叶排列就能产生力学手性、以及力学手性的意义是什么？
更重要的是，王翔一直感觉他们好像忽略了一些重要方面。直到有一天，他突然意识到：“力学手性”只是“力学非互易性”的一个子集，而电风扇扇叶结构中的每片“扇叶”，都是一个具有力学非互易性的凝胶材料，因此这是一种以前从未存在过的新材料。
于是，本次研究正式以“力学非互易性”作为主题。王翔继续说道：“我们课题组在水凝胶力学研究上拥有较多经验以及先进的设备，因此我们迅速完成了材料优化和表征、机理的分析和模拟、以及大部分的应用演示实验。最后遇到的难题出现在生物行为控制的实验上。”
生物实验通常需要较长的周期，并且为了保证实验的准确性，需要进行大量实验并进行统计分析。
为此，王翔与负责线虫实验的邵震华博士，在短时间内进行了大量的实验，期间还遇到了培养基被真菌污染的意外情况。
幸运的是，此次材料表现出了出色的性能，实验重复性也非常好，最终在仅仅五个月内就完成了所有的生物实验。
在研究中也出现了很多巧合和意外。例如，液滴逆重力运输实验得到了审稿人的广泛好评，而最初之所以设计这一实验，只是为了验证液滴移动是由于不对称振动、而非由于倾斜角度变化所引起的这一推测。
然而，王翔是在一个难以入睡的凌晨，想明白了“力学非互易性”的概念。前一天晚上下班前，他与石田老师进行长达两个多小时的讨论，涉及到多个课题的进展和未来展望，其中就包括“力学手性”这个课题。
他说：“回到家后，我的思绪仍在不断思考，无法入睡。回想起来，幸好当时我没有放弃思考，否则可能就没有这篇论文了。”
有趣的是，后来他询问已经毕业的李智豪同学，到底是如何想出电风扇扇叶结构的，他也说是在半夜无法入睡时想到的。
更有趣的是，当王翔将这个故事告诉石田老师时，后者也坦率地说选择线虫做实验，也是他在半夜无法入睡时想到的。
“因此，我们都开玩笑地称这个课题是‘一群睡不着觉的人想出来的’。这些巧合和意外的经历使整个研究过程更具有趣味性，也提醒我们在科学研究中保持灵感的开放性和勇于探索的精神。”王翔表示。
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另据悉，目前王翔在日本理化学研究所新兴物质科学中心担任研究员（Research Scientist），这是一个非 PI 的永久职位。他的主要研究方向是软物质材料科学，涉及到胶体、液晶、凝胶等材料的设计与开发。
本次论文发表之后，他和团队正在研究能够实现大规模生产的非互易材料制备方法，目前主要集中在概念验证设计和小规模制备方法上。
要使非互易材料真正适用于实际应用，就得开发可扩展的制造工艺，以便实现这些材料的大规模生产，并能获得不同尺寸和形状的产品。
另外，目前的非互易材料仅能在一些简单加载条件下实现非互易性，比如剪切或沿特定方向的对称振动。
要进一步拓展非互易材料的潜在应用，就得实现对于复杂加载条件的非互易性，例如来自任意随机方向的加载。
如能实现，这将推动非互易材料的应用领域进一步扩展，使其在更广泛的工程和科学领域中发挥作用。
参考资料：
1.Wang, X., Li, Z., Wang, S., Sano, K., Sun, Z., Shao, Z., ... & Ishida, Y. (2023). Mechanical nonreciprocity in a uniform composite material.Science,380(6641), 192-198.
https://www.youtube.com/watch?v=PVhhZRYo2iY
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