近日，南京理工大学吴迎副教授与武汉科技大学李响副教授，从苍耳种子的刺苞中汲取灵感，研发出一种“三维自锁颗粒力学超材料”。这项研究打破了传统力学超材料“一旦成型就无法改变”的瓶颈。新型材料不仅无需外部包装就能将自身牢牢锁合、抵御强力冲击，还能在经历严重挤压后实现可逆恢复与重复使用。该成果不仅为易碎品包装带来了革新，更为自适应防护装备、航空航天等领域提供了全新的设计思路。相关成果以“3D Self-locking Granular Metamaterials”为题发表在Science Advances上，论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec8845。南京理工大学为第一单位，硕士研究生刘童童、孙涛为共同第一作者，吴迎、李响为共同通讯作者，课题组其他成员曹宁、沈悦、王凯伦、龙海超和南京理工大学郭永彬博士、张扬副教授等亦做出重要贡献。
【研究背景】
在过去的工程应用中，传统的力学超材料大多依赖于固定且完美的周期性内部微结构。这就导致它们一旦被制造出来，形状和力学性能就被彻底“锁死”，不仅难以重复利用，甚至在维修或重构时会产生大量废料。此外，现有的可重构材料往往需要依赖外部容器的束缚才能保持形态。为了解决这一痛点，研究团队将目光投向了自然界，团队模仿苍耳种子的自黏附机制，设计出了一种微观的“自锁单元”，每个核心单元是一个空心的光敏树脂椭球体（刚性骨架），表面则均匀分布着由超弹性热塑性聚氨酯（TPU）制成的柔性倒钩。当这些颗粒被堆叠在一起时，表面柔韧的倒钩会相互交织扣合。与以往依赖边界压力或外部封装的材料不同，这种3D颗粒仅靠内在的倒钩就能实现三维空间内的绝对稳定。
图1 三维自锁颗粒超材料的原型与设计
【研究亮点】
1、优异的力学特性
逐级脱钩。当受到剧烈拉扯时，传统的固体材料往往会瞬间整体断裂。但这种自锁超材料在受拉时，交织的倒钩会呈现“依次、逐级脱钩”的状态。这种分步失效的机制，使得结构在彻底断裂前能够承受巨大的拉伸变形，极大地提升了材料的韧性和能量吸收能力。
图2 拉力作用下的逐步脱钩行为
滑动→锁合转变。在应对侧向的剪切力时，材料展现出了“双面性”。在接触初期，钩子尚未完全咬合，材料表现出如同流体一般的低阻力滑动状态。一旦滑动到临界距离、钩体全面锁合，材料会瞬间“变硬”，转化为具备极高刚度和抗剪切阻力的固体形态。
图3 可调剪切性能及“滑动→锁止”转变行为
层间嵌入与孔隙挤压。面对压缩载荷，颗粒与颗粒之间并非生硬死磕。上层颗粒会有序地嵌入下层颗粒的空隙中（层间嵌入），同时颗粒堆叠产生的内部孔隙会被逐渐挤压（孔隙挤压）。这种机制能有效延缓材料被彻底压实的进程，将冲击产生的动能通过倒钩间的摩擦转化为热能，实现极高效率的能量吸收。
任意重塑。得益于TPU钩体的超弹性，颗粒在受力时发生的是可恢复的弹性变形，而不是不可逆的塑性折断。这意味着，经历过严重冲击的结构不仅能保全颗粒本身，还可以随时被拆解并重新组装使用。同时，大量单元随机组装后，能在宏观上消除单个颗粒的方向局限性，表现出优异的各向同性特征。
图4 压缩作用下的层间渗透与空隙挤压可提升能量吸收能力
2、改变传统泡沫的包装方式
在物流和防护领域，传统的泡沫填料一直存在致命缺陷。它们只有在完好的密闭纸箱中才能发挥作用。如果在运输中纸箱的一个侧面破损，传统泡沫会散落一地，导致易碎品瞬间暴露。而新型自锁颗粒材料即便没有外壳束缚，也能紧紧抱团锁死，稳稳护住核心载荷。
在连续的钢球砸落测试中，传统泡沫在受到80次冲击后，结构发生不可逆压实和碎裂，失效破损率高达65%，冲击加速度飙升至35g。相反，新型超材料在承受120次冲击后，加速度依然平稳维持在10g左右，且颗粒破损率仅为27.5%。
进一步地，在实测中，该材料甚至能让一颗生鸡蛋在强力冲击下完好无损，展现了很好的柔性保护力。
图5 三维自锁颗粒超材料的抗冲击防护性能及潜在应用
这项研究不仅仅是创造了一种新材料，更是打通了“离散颗粒介质”与“可编程超材料”之间的技术壁垒。未来，借助先进的3D打印技术和铸模技术，这些微小单元可以针对不同需求进行尺寸和刚度的定制。从可重复使用的防弹衣、汽车防撞层、航空航天抗冲击装甲，到建筑减震、甚至是声波吸收领域，都将拥有极其广阔的应用空间。研究团队还提出，若将“形状记忆合金”融入倒钩设计，材料甚至能在特定温度下实现自动解锁与重组，赋予材料真正意义上的“主动可编程”智能特性。大自然留给我们的智慧，正通过这项研究，一步一步地转化为现实的护盾。
该工作得到了国家自然科学基金与中央高校基本科研业务费的支持。
