这种物质，能在极软和极硬之间切换

图片来源于周文杰

撰文｜王怡博

审校｜clefable

在2015年首届芝加哥建筑双年展（Chicago Architecture Biennial）上，美国麻省理工学院（MIT）自组装实验室（Self-Assembly Lab）与苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的格拉马齐奥-科勒研究中心（Gramazio Kohler Research）合作展出了一个名为Rock Print、高约3.66米的3D打印结构。这是首个仅用岩石和细绳打造的建筑结构，无需任何黏合剂和砂浆。

为了建造这个结构，研究者在一个框内倒入一层岩石，然后使用机械臂将绳子铺设在岩石上……以此类推。接着，他们将框移开，只有被绳子“卡住”的岩石会留下，其余岩石脱落。研究者称，绳子与附近被卡住的岩石之间结合成了一个“颗粒堵塞”（granular jamming）系统。这一现象允许无序粒子从流体转变为固体，且过程可逆。

图片来源于MIT

对于颗粒堵塞，想象一下真空密封包装的咖啡豆或大米：起初袋子密封时非常硬，摸起来像块石头；一旦撕开袋子，里面的豆子或大米又很容易就流出来，即变软。因此，在展出结束后，研究者只要把绳子拆出来，岩石就会在重力作用下滑落，使得材料恢复到它们最初的状态。

新加坡南洋理工大学教授王一凡在2025年9月接受本校采访时说，他在美国芝加哥大学攻读软物质物理学博士学位时（2011-2016年），找到了毕生研究工作的灵感，特别是颗粒堵塞这一有趣现象。而且这一原理也广泛存在于自然界中，比如穿山甲或鱼的鳞片会在面临危险时变硬以保护自己。

类似地，王一凡在加州理工学院攻读博士后期间（2017-2020年）与导师基亚拉·达拉约（Chiara Daraio）合作利用颗粒堵塞原理，开发了一种新型“链甲”（chainmail）织物。这一可穿戴式织物通常像布料一样柔韧，但可以根据需要变硬，比如在受到冲击或需要承受额外压力时，实现0.1秒内柔软和坚硬状态的自由切换。

图片来源于MIT

他们设计了中空八面体（具有八个相等三角形面的形状）颗粒，然后将它们互锁在一起，形成拓扑机械互锁结构。接着，他们使用最先进的3D打印技术将这些结构打印成链甲织物。结果显示，这种织物被包裹在塑料外壳中并真空包装时，即受到外力时，会突然发生相变，从原本的柔性变成刚性，比放松时坚硬25倍，并能承受超过自身50倍的负载。这种链甲可以在需要时硬化以保护用户免受冲击，或能为运动员提供防护装备，以及帮助老年人站立、行走和携带物体。相关研究于2021年发表在《自然》（Nature）上。

现为美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign，未参与这项研究）助理教授的周文杰表示，这项研究对他启发很大，也推动他从化学转去机械工程专业做博后。对他来说，“那次博后算是一场豪赌，”周文杰说。

机械互锁

说到机械互锁，便不得不提到2016年诺贝尔化学奖。那一年，法国斯特拉斯堡大学的让-皮埃尔·索瓦（Jean-Pierre Sauvage）、美国西北大学的詹姆斯·弗雷泽·斯托达特（James Fraser Stoddart）和荷兰格罗宁根大学的伯纳德·费灵格（Bernard L. Feringa）因在分子机器设计与合成上的卓越贡献获得诺贝尔化学奖。分子机器中的一大部分都是机械互锁分子，机械互锁分子是指一个分子中有至少两个部分之间由完全不同于化学键的机械键（mechanical bond）相连。机械键是一种物理键，可以被定义为两个或多个组成部分在空间中的“纠缠”。

周文杰说，斯托达特对他的影响最为深远，因此不由自主地会模仿斯托达特的研究。斯托达特曾带领团队合成出类似奥林匹克结构的机械互锁结构——奥林匹克烷（Olympiadane），它由五个互锁大环组成，类似奥运五环。而周文杰对所有的数学图案都非常感兴趣。大概在2020年左右，周文杰还在美国西北大学读博时，他突发奇想，是否能找到一种通用的方法把笼状结构或环状结构嵌套起来，也就是互锁起来。他本来的计划是通过超分子化学的方法把它们一一合成出来，但结果非常困难。于是他开始设想把这些结构通过数学建模的方式设计出来，然后在机械层面做更深入的探究。

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周文杰大约是在2021年初设计出了几十种机械互锁结构，“当时就当作闲暇时的兴趣爱好。”直到他看到王一凡和达拉约等人发表于《自然》的研究，其中主要探讨的一个结构恰好是他当时设计的结构之一。这让他意识到，原来还有人跟他一样关心机械互锁结构，这也可以作为一个研究课题。2022年博士毕业后，周文杰便来到加州理工学院达拉约课题组攻读机械工程方向的博后，其中一个重要的研究课题便是把他之前设计的机械互锁结构打印出来，看看它们的物理性能有什么特别之处。

达拉约团队2021年制造的是二维的布料，周文杰则想实现三维的材料。今年1月，他们在《科学》（Science）上发表研究称，成功研发了一种新型三维链状结构材料，并命名为“多链结构化材料”（Polycatenated Architected Material，PAM）。他们的灵感部分来源于晶体的晶格结构，只是将固定的晶粒替换为由不同材料（如丙烯酸树脂、尼龙或金属）制成的不同三维互锁图案（环状或笼状），以制造不同尺寸的3D打印结构。然后，他们在实验室对这些材料施加各种应力，包括压缩、横向剪切力和扭曲。结果显示，它在应力作用下展现出令人惊叹的“二重性”：既可以像液体般流动，又能在压力下如固体般坚硬。

这些智能材料有潜力解决医学中的重大挑战。比如它们可以通过稳定关节和减少震颤，为帕金森病等肌肉活动受影响的患者提供关键支持，还可以保护患者的易受损部位。

但对周文杰比较遗憾的是，斯托达特在今年1月、这篇文章正式上线之前去世，无法邀请他对这项研究作出评价。