来自重庆大学、哈尔滨工业大学、法国勃艮第大学和西北工业大学的研究团队在Science China Technological Sciences2024年67卷第10期发表了题为Rubik's Cube as In-situ Programmable Matter and Reconfigurable Mechanical Metamaterials的文章，受魔方启发开发了原位可编程、材料分布可重构的力学超材料。
图1：原位可编程和分布可重构力学超材料：(a)可编程超材料 (b)矩阵模型 (c)强化学习 (d)实验验证 (e)可调刚度 (f)可调各向异性。
通过对微观结构进行合理设计，可以创造出具有负的、极端的或可编程物理特性的超材料。这不同于传统改变化学成分的材料设计方法，已发展成为突破自然材料性质边界的一种有有效的方法，为诸多工程应用开辟了新的道路。
可编程力学超材料能够通过改变其自身形态来改变其物理性质，因此在柔性机器人、振动可调设备以及可控能量吸收设备等领域展示出巨大的应用潜力。近年，多种可编程超材料被提出，如受到剪纸艺术和古代图案的启发的多稳态超材料，受吸管启发的像素力学超材料，利用磁效应和气动效应的可编程超材料等。
原位可编程超材料的设计受到两个关键问题的限制。第一个问题是如何原位地改变其形态，第二个问题是如何维持变化后的新形态。解决这两个问题的现有策略包括：利用结构失稳效应构建多稳态超材料，或采用气动/电磁等主动控制方法。然而，主动控制方法需要持续的能量消耗来维持改变的形态；而多稳态设计依赖结构形态转变实现可编程性，这在不可避免的带来了外部形状变化，并限制了超材料的力学性能。
受到魔方启发，如图1(a)所示，本文作者提出了一种原位可编程超材料的设计策略。该超材料可以容易地转变成各种形态并保持转变后的形态。更重要的是，该超材料具有一种新的形态转变机制，即通过改变材料分布实现性能变化。因此，将这种超材料命名为原位可编程和分布可重构力学超材料（IPDR-MM）。
开发了矩阵模型来描述IPDR-MM及其形态变换，如图1(b)所示；建立了力学模型来预测不同配置下IPDR-MM的力学特性；利用强化学习来识别IPDR-MM不同配置之间的形态变换路径，如图1(c)所示；并进行了实验对力学模型进行验证，如图1(d)所示。主要发现如下：
1）IPDR-MM的材料分布可以进行原位重构，赋予超材料原位可调的刚度和各向异性,如图1(e)和(f)所示
2）IPDR-MM有153个独立状态。单个独立状态有最高2,748种不同形态和成千上万种矩阵模型，导致其可编程性的难度，强化学习可用于解决这一问题。
3）IPDR-MM的形态变换和承载功能存在独立的自由度。这种特性为元材料提供了更好的承载稳定性和更大的选择原材料自由度。这种灵活性意味着IPDR-MM有潜力通过材料选择实现高刚度或使用温度。
