麥吉爾大學博爾德分校工程團隊近日展示一種科幻感十足的新型材料：由特殊形狀的小顆粒構成，能在「硬實體」與「鬆散流體」之間自由切換的纏繞顆粒系統。這種材料的靈感來自一把普通的訂釘與鐵釘——當大量訂釘鐵釘纏繞成團時，被拉扯時會像一個整體那樣抵抗外力，而在特定方式搖動或震動下，又會迅速鬆散，散開成一堆彼此分離的金屬條。這一現象促使研究人員重新思考材料設計路徑：不用傳統的整塊固體或化學鍵合，而是從任意形狀出發，用大量可相互「勾連」的小顆粒，透過物理纏繞構築整體結構，同時能在需要時快速解體。
「我們已經在結構和形狀上玩了很多年，但直到最近才開始真正研究纏繞顆粒，」該項目負責人、先進材料與生物啟發實驗室負責人 Francois Barthelat 教授表示，「這種系統能展現出一組非常獨特的性能組合，我們相信它在工程上擁有很大的想像空間。」這項發表於《應用物理學雜誌》的研究將這種現象稱為「纏繞」（entanglement）——顆粒彼此纏繞、形成結構連接的過程。
類似的原理在自然界並不罕見：鳥翼依靠羽毛條與纖維交織獲得強度，貝殼則依賴脆性礦物與韌軟蛋白質之間的黏合實現力學性能的平衡。工程上的難題在於：如何以可控方式在人工材料中重現這種「互鎖」效果。Barthelat 團隊認為，關鍵在於顆粒的任意形狀。「以沙子為例，沙粒表面光滑、整體呈凸形，顆粒之間很難產生真正的互鎖，」博士生 Youhan Sohn 解釋道，「但如果我們改變『一粒沙』的形狀，其微觀行為和力學性能會發生顯著變化，包括與其他顆粒纏繞、互鎖的能力。
」在意識到形狀這一關鍵因素後，研究人員利用蒙特卡羅模擬這一計算方法，預測不同形狀顆粒之間的相互作用，並尋找能產生最高纏繞度的任意設計。隨後，他們透過一系列「抓取測試」（pickup tests）來驗證模擬結果，觀察這些新設計的顆粒在實際配比、提起和震動中的表現。
訂釘鐵釘形狀顆粒帶來突破
實驗最終給出一個出乎意料卻簡潔的答案：類似訂釘鐵釘的「兩頭」顆粒展現出最強的互鎖傾向。用這種形狀的大量顆粒堆疊後，系統既能緊密纏繞形成整體，又能在一定條件下鬆脫分散。這一設計帶來諸項重要性能優勢，其中之一是罕見的「高強度與高韌性並存」。在傳統材料中，高強度往往伴隨韌性增加，而高韌性通常意味強度下降；但這種由「訂釘鐵釘顆粒」構成的纏繞顆粒材料，卻在拉伸強度與韌性兩方面同時表現出色。
博士生 Saeed Pezeshki 指出：「我們的纏繞顆粒材料利用這種訂釘式顆粒，在保持高強度的同時展現出優異韌性。」另一大優勢在於系統的可快速組裝與可逆拆解。研究團隊透過改變施加在顆粒堆上的震動模式，精細調控顆粒之間的互鎖程度：輕微、低強度的震動有利於顆粒碰撞「嵌入口中彼此之間的縫隙」，形成更緊密的纏繞，使整體強度提升；而較強烈的震動則會打亂原有接觸狀態，使結構解體，顆粒重新變成可自由流動的散粒狀態。
「這是一種非常奇特的材料，它顯然不是網狀結構，但也不能簡單歸類為固體。」Barthelat 說，「這為工程設計打開了一扇新門。真正用手去操控這樣一團纏繞顆粒時，會有一種既隨機又現實的感覺。」 在潛在應用方向中，可持續建築是一個重要場景。研究團隊設想，未來的建築與橋樑可部分採用這種纏繞顆粒材料作為結構或填充單元：在服役期間，它們具備良好的承載能力；而在建築任務完成或結構壽命終止時，又可整體拆解，實現構件或顆粒的重複利用與循環。
機器人技術則是另一條可行路徑。Pezeshki 透露，他與其他學生討論時認為，這種材料概念可延伸至「群體機器人」（swarm robotics）：大量小形機器人透過形狀和機構設計實現相互纏繞，在執行任務時組合成為更大、更複雜的結構；任務結束後再彼此解開，各自分散開來執行新指令。Barthelat 則用大眾熟悉的科幻形象作比喻——類似電影《終結者 2》中液態金屬機器人 T-1000：可在短暫空間中「液化」成流體狀態穿過障礙，又能在另一側重新凝固為完整形狀。
「當然，這種技術目前成本很高，要實現大規模應用仍有不小挑戰，但這是許多研究者關注的方向。」他說。目前，團隊仍在持續優化這一材料系統，嘗試更複雜的顆粒設計，例如增加突出的「刺」或「鉤子」，讓顆粒有點類似衣物上常見的絨毛鉤。這類多突起結構有望進一步增強纏繞效果，提升整體結構的穩定性與可調性。
