新型超材料能通過遙控改變尺寸和形狀

科技日報記者 張夢然

由美國萊斯大學領導的研究團隊開發出一種新型超材料，兼具柔軟性與高強度，能夠通過遠程控制快速改變其尺寸和形狀。這一成果有望賦予體內醫療設備全新的能力，標誌着可植入和可攝入醫療設備領域的一項重大突破。相關論文發表在最新一期《科學進展》上。

超材料是一類人工合成結構，其特性並非主要來源於化學成分，而是由其微觀結構的幾何形狀、排列方式和尺寸大小來決定，因而能夠展現出自然界材料所不具備的獨特性能。

此次設計的新型超材料，實現了在極度柔軟的同時兼具穩定性和可變形性，這種組合優勢是此前同類軟材料所沒有的。該超材料表現出卓越的機械強度，可承受超過自身重量十倍的壓縮載荷，並在遠超生理條件的温度變化以及強酸等惡劣化學環境中保持穩定性能，展現出極強的耐久性。

團隊通過在材料結構中引入梯形支撐段和加強梁等特定幾何特徵，將“多穩定性”編程到軟結構中，使其能夠以多種穩定狀態存在。這些結構形成“能量屏障”，使材料在外部驅動力消失後仍能鎖定在新的形態中，持久保持形狀。該超材料採用3D打印製造，構建出很多相互連接的微結構單元，每個單元可在“打開”與“關閉”狀態之間快速切換，且切換後無需持續供能即可維持新形態。

通過將多個這樣的基本單元像積木一樣組合，團隊構建出複雜的三維結構，不僅能夠整體變形，還能在外部磁場驅動下產生類似蠕動的運動。尤為關鍵的是，即使在長期暴露於機械應力和模擬人體胃部的強酸腐蝕環境後，該材料仍能保持功能完整性。

這種可遠程調控形狀與尺寸的超材料，有望在醫療領域實現精確定位、靶向藥物遞送或在體內特定位置施加可控的機械刺激。目前，團隊正與外科醫生合作，致力於設計無線流體控制系統，以應對當前臨牀中尚未滿足的重要醫療需求。