防走失，電梯直達(dá)安全島

來源：環(huán)球科學(xué)

作者：王怡博

圖片來源于周文杰

在2015年首屆芝加哥建筑雙年展（Chicago Architecture Biennial）上，美國麻省理工學(xué)院（MIT）自組裝實(shí)驗(yàn)室（Self-Assembly Lab）與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的格拉馬齊奧-科勒研究中心（Gramazio Kohler Research）合作展出了一個(gè)名為Rock Print、高約3.66米的3D打印結(jié)構(gòu)。這是首個(gè)僅用巖石和細(xì)繩打造的建筑結(jié)構(gòu)，無需任何黏合劑和砂漿。

為了建造這個(gè)結(jié)構(gòu)，研究者在一個(gè)框內(nèi)倒入一層巖石，然后使用機(jī)械臂將繩子鋪設(shè)在巖石上……以此類推。接著，他們將框移開，只有被繩子“卡住”的巖石會(huì)留下，其余巖石脫落。研究者稱，繩子與附近被卡住的巖石之間結(jié)合成了一個(gè)“顆粒堵塞”（granular jamming）系統(tǒng)。這一現(xiàn)象允許無序粒子從流體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w，且過程可逆。

圖片來源于MIT

對(duì)于顆粒堵塞，想象一下真空密封包裝的咖啡豆或大米：起初袋子密封時(shí)非常硬，摸起來像塊石頭；一旦撕開袋子，里面的豆子或大米又很容易就流出來，即變軟。因此，在展出結(jié)束后，研究者只要把繩子拆出來，巖石就會(huì)在重力作用下滑落，使得材料恢復(fù)到它們最初的狀態(tài)。

新加坡南洋理工大學(xué)教授王一凡在2025年9月接受本校采訪時(shí)說，他在美國芝加哥大學(xué)攻讀軟物質(zhì)物理學(xué)博士學(xué)位時(shí)（2011-2016年），找到了畢生研究工作的靈感，特別是顆粒堵塞這一有趣現(xiàn)象。而且這一原理也廣泛存在于自然界中，比如穿山甲或魚的鱗片會(huì)在面臨危險(xiǎn)時(shí)變硬以保護(hù)自己。

類似地，王一凡在加州理工學(xué)院攻讀博士后期間（2017-2020年）與導(dǎo)師基亞拉·達(dá)拉約（Chiara Daraio）合作利用顆粒堵塞原理，開發(fā)了一種新型“鏈甲”（chainmail）織物。這一可穿戴式織物通常像布料一樣柔韌，但可以根據(jù)需要變硬，比如在受到?jīng)_擊或需要承受額外壓力時(shí)，實(shí)現(xiàn)0.1秒內(nèi)柔軟和堅(jiān)硬狀態(tài)的自由切換。

圖片來源于加州理工學(xué)院

他們?cè)O(shè)計(jì)了中空八面體（具有八個(gè)相等三角形面的形狀）顆粒，然后將它們互鎖在一起，形成拓?fù)錂C(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。接著，他們使用最先進(jìn)的3D打印技術(shù)將這些結(jié)構(gòu)打印成鏈甲織物。結(jié)果顯示，這種織物被包裹在塑料外殼中并真空包裝時(shí)，即受到外力時(shí)，會(huì)突然發(fā)生相變，從原本的柔性變成剛性，比放松時(shí)堅(jiān)硬25倍，并能承受超過自身50倍的負(fù)載。這種鏈甲可以在需要時(shí)硬化以保護(hù)用戶免受沖擊，或能為運(yùn)動(dòng)員提供防護(hù)裝備，以及幫助老年人站立、行走和攜帶物體。相關(guān)研究于2021年發(fā)表在《自然》（Nature）上。

現(xiàn)為美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign，未參與這項(xiàng)研究）助理教授的周文杰表示，這項(xiàng)研究對(duì)他啟發(fā)很大，也推動(dòng)他從化學(xué)轉(zhuǎn)去機(jī)械工程專業(yè)做博后。對(duì)他來說，“那次博后算是一場豪賭，”周文杰說。

機(jī)械互鎖

說到機(jī)械互鎖，便不得不提到2016年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。那一年，法國斯特拉斯堡大學(xué)的讓-皮埃爾·索瓦（Jean-Pierre Sauvage）、美國西北大學(xué)的詹姆斯·弗雷澤·斯托達(dá)特（James Fraser Stoddart）和荷蘭格羅寧根大學(xué)的伯納德·費(fèi)靈格（Bernard L. Feringa）因在分子機(jī)器設(shè)計(jì)與合成上的卓越貢獻(xiàn)獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。分子機(jī)器中的一大部分都是機(jī)械互鎖分子，機(jī)械互鎖分子是指一個(gè)分子中有至少兩個(gè)部分之間由完全不同于化學(xué)鍵的機(jī)械鍵（mechanical bond）相連。機(jī)械鍵是一種物理鍵，可以被定義為兩個(gè)或多個(gè)組成部分在空間中的“糾纏”。

周文杰說，斯托達(dá)特對(duì)他的影響最為深遠(yuǎn)，因此不由自主地會(huì)模仿斯托達(dá)特的研究。斯托達(dá)特曾帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)合成出類似奧林匹克結(jié)構(gòu)的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)——奧林匹克烷（Olympiadane），它由五個(gè)互鎖大環(huán)組成，類似奧運(yùn)五環(huán)。而周文杰對(duì)所有的數(shù)學(xué)圖案都非常感興趣。大概在2020年左右，周文杰還在美國西北大學(xué)讀博時(shí)，他突發(fā)奇想，是否能找到一種通用的方法把籠狀結(jié)構(gòu)或環(huán)狀結(jié)構(gòu)嵌套起來，也就是互鎖起來。他本來的計(jì)劃是通過超分子化學(xué)的方法把它們一一合成出來，但結(jié)果非常困難。于是他開始設(shè)想把這些結(jié)構(gòu)通過數(shù)學(xué)建模的方式設(shè)計(jì)出來，然后在機(jī)械層面做更深入的探究。

圖片來源于wikimedia commons

周文杰大約是在2021年初設(shè)計(jì)出了幾十種機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，“當(dāng)時(shí)就當(dāng)作閑暇時(shí)的興趣愛好?！敝钡剿吹酵跻环埠瓦_(dá)拉約等人發(fā)表于《自然》的研究，其中主要探討的一個(gè)結(jié)構(gòu)恰好是他當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)之一。這讓他意識(shí)到，原來還有人跟他一樣關(guān)心機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，這也可以作為一個(gè)研究課題。2022年博士畢業(yè)后，周文杰便來到加州理工學(xué)院達(dá)拉約課題組攻讀機(jī)械工程方向的博后，其中一個(gè)重要的研究課題便是把他之前設(shè)計(jì)的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)打印出來，看看它們的物理性能有什么特別之處。

達(dá)拉約團(tuán)隊(duì)2021年制造的是二維的布料，周文杰則想實(shí)現(xiàn)三維的材料。今年1月，他們?cè)凇犊茖W(xué)》（Science）上發(fā)表研究稱，成功研發(fā)了一種新型三維鏈狀結(jié)構(gòu)材料，并命名為“多鏈結(jié)構(gòu)化材料”（Polycatenated Architected Material，PAM）。他們的靈感部分來源于晶體的晶格結(jié)構(gòu)，只是將固定的晶粒替換為由不同材料（如丙烯酸樹脂、尼龍或金屬）制成的不同三維互鎖圖案（環(huán)狀或籠狀），以制造不同尺寸的3D打印結(jié)構(gòu)。然后，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室對(duì)這些材料施加各種應(yīng)力，包括壓縮、橫向剪切力和扭曲。結(jié)果顯示，它在應(yīng)力作用下展現(xiàn)出令人驚嘆的“二重性”：既可以像液體般流動(dòng)，又能在壓力下如固體般堅(jiān)硬。

這些智能材料有潛力解決醫(yī)學(xué)中的重大挑戰(zhàn)。比如它們可以通過穩(wěn)定關(guān)節(jié)和減少震顫，為帕金森病等肌肉活動(dòng)受影響的患者提供關(guān)鍵支持，還可以保護(hù)患者的易受損部位。

但對(duì)周文杰比較遺憾的是，斯托達(dá)特在今年1月、這篇文章正式上線之前去世，無法邀請(qǐng)他對(duì)這項(xiàng)研究作出評(píng)價(jià)。

https://www.livescience.com/health/cancer/weird-swelling-of-mans-fingers-and-toes-revealed-cancer-had-completely-replaced-the-bones-with-lesions

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2728313/

https://perspectivesinmedicine.cshlp.org/content/10/3/a037259.full.pdf?

https://link.springer.com/article/10.1186/s13046-022-02520-0

https://journals.physiology.org/doi/full/10.1152/physiol.00020.2022

https://www.nature.com/articles/s41593-025-02064-4

https://www.nature.com/articles/nature04524