這種物質，能在極軟和極硬之間切換

防走失，電梯直達安全島

來源：環球科學

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，美國麻省理工學院（MIT）自組裝實驗室（Self-Assembly Lab）與蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的格拉馬齊奧-科勒研究中心（Gramazio Kohler Research）合作展出了一個名為Rock Print、高約3.66米的3D打印結構。這是首個僅用巖石和細繩打造的建筑結構，無需任何黏合劑和砂漿。

為了建造這個結構，研究者在一個框內倒入一層巖石，然后使用機械臂將繩子鋪設在巖石上……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合成了一個“顆粒堵塞”（granular jamming）系統。這一現象允許無序粒子從流體轉變為固體，且過程可逆。

圖片來源于MIT

對于顆粒堵塞，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，在展出結束后，研究者只要把繩子拆出來，巖石就會在重力作用下滑落，使得材料恢復到它們最初的狀態。

新加坡南洋理工大學教授王一凡在2025年9月接受本校采訪時說，他在美國芝加哥大學攻讀軟物質物理學博士學位時（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在面臨危險時變硬以保護自己。

類似地，王一凡在加州理工學院攻讀博士后期間（2017-2020年）與導師基亞拉·達拉約（Chiara Daraio）合作利用顆粒堵塞原理，開發了一種新型“鏈甲”（chainmail）織物。這一可穿戴式織物通常像布料一樣柔韌，但可以根據需要變硬，比如在受到沖擊或需要承受額外壓力時，實現0.1秒內柔軟和堅硬狀態的自由切換。

圖片來源于加州理工學院

他們設計了中空八面體（具有八個相等三角形面的形狀）顆粒，然后將它們互鎖在一起，形成拓撲機械互鎖結構。接著，他們使用最先進的3D打印技術將這些結構打印成鏈甲織物。結果顯示，這種織物被包裹在塑料外殼中并真空包裝時，即受到外力時，會突然發生相變，從原本的柔性變成剛性，比放松時堅硬25倍，并能承受超過自身50倍的負載。這種鏈甲可以在需要時硬化以保護用戶免受沖擊，或能為運動員提供防護裝備，以及幫助老年人站立、行走和攜帶物體。相關研究于2021年發表在《自然》（Nature）上。

現為美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign，未參與這項研究）助理教授的周文杰表示，這項研究對他啟發很大，也推動他從化學轉去機械工程專業做博后。對他來說，“那次博后算是一場豪賭，”周文杰說。

機械互鎖

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

周文杰說，斯托達特對他的影響最為深遠，因此不由自主地會模仿斯托達特的研究。斯托達特曾帶領團隊合成出類似奧林匹克結構的機械互鎖結構——奧林匹克烷（Olympiadane），它由五個互鎖大環組成，類似奧運五環。而周文杰對所有的數學圖案都非常感興趣。大概在2020年左右，周文杰還在美國西北大學讀博時，他突發奇想，是否能找到一種通用的方法把籠狀結構或環狀結構嵌套起來，也就是互鎖起來。他本來的計劃是通過超分子化學的方法把它們一一合成出來，但結果非常困難。于是他開始設想把這些結構通過數學建模的方式設計出來，然后在機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年初設計出了幾十種機械互鎖結構，“當時就當作閑暇時的興趣愛好。”直到他看到王一凡和達拉約等人發表于《自然》的研究，其中主要探討的一個結構恰好是他當時設計的結構之一。這讓他意識到，原來還有人跟他一樣關心機械互鎖結構，這也可以作為一個研究課題。2022年博士畢業后，周文杰便來到加州理工學院達拉約課題組攻讀機械工程方向的博后，其中一個重要的研究課題便是把他之前設計的機械互鎖結構打印出來，看看它們的物理性能有什么特別之處。

達拉約團隊2021年制造的是二維的布料，周文杰則想實現三維的材料。今年1月，他們在《科學》（Science）上發表研究稱，成功研發了一種新型三維鏈狀結構材料，并命名為“多鏈結構化材料”（Polycatenated Architected Material，PAM）。他們的靈感部分來源于晶體的晶格結構，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（環狀或籠狀），以制造不同尺寸的3D打印結構。然后，他們在實驗室對這些材料施加各種應力，包括壓縮、橫向剪切力和扭曲。結果顯示，它在應力作用下展現出令人驚嘆的“二重性”：既可以像液體般流動，又能在壓力下如固體般堅硬。

這些智能材料有潛力解決醫學中的重大挑戰。比如它們可以通過穩定關節和減少震顫，為帕金森病等肌肉活動受影響的患者提供關鍵支持，還可以保護患者的易受損部位。

但對周文杰比較遺憾的是，斯托達特在今年1月、這篇文章正式上線之前去世，無法邀請他對這項研究作出評價。

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