晗峰 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
最新的Nature研究向我们展示了，原来直接原来用力学的方法也能存储信息，这打破了机械装置和数字存储终端存在的界限。
熟悉计算机编程的朋友应该对计算机硬盘的存储方式不陌生：硬盘的数据都保存在盘片上，盘片上布满了磁性物质。
我们都知道磁性有南、北两级，正好可以表示二进制的0和1，我们给它加电流让磁针在0和1之间转换完成逻数据储存。
这篇刊登在Nature上的研究展示了原来材料也可以进行“编程”。材料结构由众多的材料基本单元组成，这些单元可以类比于计算机硬盘中的电磁比特，作者们在此称这些单元为“机械比特”，由力加在这些“机械比特”上让他们产生0和1的转换。这些机械比特以空间排列构成了一种自关联材料 (Metamaterial)。
这些“机械比特”是由聚合物制成的基本单元，由一个绿色的柔性外壳，内含一个紫色的可上下移动的电磁接收传输装置，在这里，作者称他为“开关”。
对这些单元进行电磁信号和机械信号的刺激并加力（信号），这个开关实现了两个物理状态之间的转换；就好比我们对真正的电磁比特施加电信号，可以理解为我们“编程”的过程。
这个开关的上下移动一次，实现了状态的改变，就可以理解为电磁比特之间实现了一次0和1的逻辑运算。
而如何实现开关的转变呢？在这里，作者通过施加机械载荷使得开关完成了两个状态的改变可以类比于电信号使得电磁比特完成了0到1的逻辑转换，这里，作者通过力学信号完成了开关两个不同态转换，也可以看作是完成了一次逻辑运算。
而因为存在着紫色的电磁信号接收器，我们先前给材料施加的力学信号的命令可以被计算机识别出来，因此通过对材料扫描和识别我们便实现了数据的储存。
就好像是我们通过输入了代码进行运行后通过比特单位之间的电磁信号传输实现不同功能一样，我们给这些“机械比特”单位输入不同的命令也能让整体材料实现不同功能。真是万物皆可“编程”。
在论文中，作者们也介绍了他们开展这个研究的思路。在传统的材料学设计中，人们习惯将材料分成无数个细微的单元 (Unit Cell)，通过对单元进行设计再整体对单元进行空间排列既可以实现不同的材料性质。
相似的思路也被借鉴到这个研究中。然而，传统的材料性能设计一般仅仅局限于改变材料的泊松比，性状改变等。只不过在这里，作者们突发奇想，直接用材料实现了记忆存储。
实际存在的物理实体总是需要通过传感器和命令终端链接，就好比我们的身体要通过神经接受大脑传输的信号一样，计算机也是如此。这层无形中的界限使得信息储存和实体控制之间总是存在延迟。而这篇研究最重要的意义，就是打破了这层界限。
△ 论文一作，来自洛桑联邦理工学院的博士后Tian Chen论文一作是一位来自加拿大的华人小哥Tian Chen，其本科毕业于多伦多大学，硕士毕业于代尔夫特理工，博士又在苏黎世理工开展研究。后又到加州理工进行访问工作。现于洛桑联邦理工开展他的研究。
△ Tian Chen在介绍他在可编程材料上的工作值得一提的是，他本科学习“工程科学”，硕士又转入土木工程，博士学位是机械工程，是“越学越专”的典型。
目前他在博士后期间研究的题目是“发现外骨骼设备的力学不稳定性”(Exploring Mechanical Instability for Assistive Exoskeletal Devices)。
目前他所在的实验室“灵活结构设计实验室”也是在智能仿生材料和结构设计领域大名鼎鼎的实验室之一。实验室设计的领域相对较广，涉及固体、流体力学、材料断裂与破坏等等。但总体来说以软材料和仿生材料为主。
不过，这次的他们的研究也许可以给更多领域带来福音。
参考链接：
https://www.nature.com/articles/d41586-021-00080-5
https://www.nature.com/articles/s41586-020-03123-5#additional-information
https://arstechnica.com/science/2021/01/new-metamaterial-merges-magnetic-memory-and-physical-changes/
