在材料科學(xué)領(lǐng)域，一項(xiàng)突破性研究正引發(fā)廣泛關(guān)注。阿姆斯特丹大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出一種新型超材料，這種材料無(wú)需中央控制系統(tǒng)，卻能像生命體一樣學(xué)習(xí)、適應(yīng)環(huán)境并自主改變形態(tài)與運(yùn)動(dòng)方式，為智能材料研究開(kāi)辟了全新方向。

傳統(tǒng)材料在面對(duì)外力時(shí)，往往只能產(chǎn)生固定的反應(yīng)模式。而此次研發(fā)的新型超材料截然不同，其表現(xiàn)出的行為特征更接近于生命物質(zhì)。它能夠根據(jù)過(guò)往與環(huán)境的相互作用，動(dòng)態(tài)調(diào)整自身的反應(yīng)方式，完成許多以往只有編程機(jī)器人才能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。

這種超材料的獨(dú)特之處在于其精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。它由大量相同的電動(dòng)鉸鏈通過(guò)彈性結(jié)構(gòu)相互連接構(gòu)成。每個(gè)鉸鏈都內(nèi)置了微控制器，這些微控制器功能強(qiáng)大，不僅可以實(shí)時(shí)追蹤鉸鏈自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，還能存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，并且能夠與相鄰的鉸鏈進(jìn)行通信。這種分布式架構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得材料無(wú)需依賴(lài)單一的中央控制系統(tǒng)，而是通過(guò)各個(gè)鉸鏈之間的局部協(xié)同，實(shí)現(xiàn)對(duì)整體行為的精準(zhǔn)控制。隨著時(shí)間推移，材料會(huì)根據(jù)每個(gè)鉸鏈的運(yùn)動(dòng)和相互作用情況，逐步學(xué)習(xí)并形成對(duì)輸入信號(hào)的特定響應(yīng)模式。

超材料的學(xué)習(xí)過(guò)程是通過(guò)重復(fù)交互來(lái)實(shí)現(xiàn)的。研究人員將彎曲特定鉸鏈作為輸入信號(hào)，同時(shí)引導(dǎo)其他鉸鏈達(dá)到目標(biāo)形態(tài)。在每一個(gè)訓(xùn)練周期中，系統(tǒng)都會(huì)對(duì)各個(gè)鉸鏈?zhǔn)┘拥淖饔昧M(jìn)行更新調(diào)整。經(jīng)過(guò)多次訓(xùn)練后，當(dāng)材料再次感知到相同的輸入信號(hào)時(shí)，就能夠自主地復(fù)現(xiàn)出訓(xùn)練時(shí)的目標(biāo)形態(tài)。更為神奇的是，這種材料不僅具備遺忘舊形態(tài)、學(xué)習(xí)新配置的能力，還能夠存儲(chǔ)多種不同的形態(tài)，并根據(jù)實(shí)際需求隨時(shí)進(jìn)行切換。

論文作者杜堯表示，研究中最為令人興奮的發(fā)現(xiàn)是，學(xué)習(xí)能力賦予了這種超材料進(jìn)化特性。一旦系統(tǒng)開(kāi)始學(xué)習(xí)，其演化方向就呈現(xiàn)出近乎無(wú)限的可能性。這種無(wú)需中央控制的自主行為進(jìn)化能力，標(biāo)志著材料研究從可編程物質(zhì)向?qū)崟r(shí)自適應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了重大跨越。同時(shí)，該體系也表明，即使是由簡(jiǎn)單的組件協(xié)同工作，也有可能涌現(xiàn)出智能，而并非一定要依賴(lài)復(fù)雜的中央處理系統(tǒng)。

在實(shí)際應(yīng)用方面，這種新型超材料已經(jīng)展現(xiàn)出了巨大的潛力。它能夠完成抓取物體、在表面移動(dòng)等類(lèi)似簡(jiǎn)單生命體的任務(wù)。早期的同類(lèi)系統(tǒng)雖然也能夠運(yùn)動(dòng)，但缺乏學(xué)習(xí)適應(yīng)能力，而此次研發(fā)的超材料則突破了這一局限。各個(gè)鉸鏈基于局部信息施加扭矩，動(dòng)態(tài)調(diào)整剛度和預(yù)設(shè)位置，使得整條鏈能夠根據(jù)環(huán)境的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)重組。

科研團(tuán)隊(duì)并未滿(mǎn)足于現(xiàn)有的成果，他們已經(jīng)制定了下一步的研究計(jì)劃。研究人員表示，未來(lái)將突破靜態(tài)形態(tài)的限制，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)間變化的行為模式，例如讓材料能夠在爬行與滾動(dòng)等不同運(yùn)動(dòng)模式之間進(jìn)行切換。杜堯補(bǔ)充道：“未來(lái)我們將致力于實(shí)現(xiàn)時(shí)間依賴(lài)性行為的學(xué)習(xí)，而不僅僅是改變靜態(tài)形態(tài)?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)還計(jì)劃探索系統(tǒng)在不確定環(huán)境中的表現(xiàn)，即在存在噪聲干擾的條件下進(jìn)行學(xué)習(xí)，使材料的反應(yīng)機(jī)制呈現(xiàn)出概率性特征。

這項(xiàng)具有開(kāi)創(chuàng)性的研究反映了學(xué)界對(duì)融合物理結(jié)構(gòu)與自適應(yīng)智能材料的濃厚興趣，有望為機(jī)器人技術(shù)、軟體機(jī)械和響應(yīng)系統(tǒng)等領(lǐng)域帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《自然·物理學(xué)》期刊。