由加州大学圣地亚哥分校、密歇根大学以及法国国家科学研究中心（CNRS）勒芒大学声学实验室联合领导的研究团队，提出了一种利用声波在远距离精确调控材料行为的新思路。这一成果有望推动可按需改变刚度的防护装备、机器人“肌肉”以及医疗植入物等技术的发展。
这项研究发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。团队首次证明，通过施加特定频率的声波，可以在材料内部可靠地移动一种被称为“机械折点”的局部结构特征，而折点的位置恰恰决定了材料不同区域表现为柔软还是坚硬。
机械折点：材料软硬边界的“分界线”
折点可以看作是材料两种不同内部状态之间的边界。折点两侧的材料可能由完全相同的原子或构建单元组成，但这些构建块在三维空间中的排布略有差异。这种细微的结构变化就足以带来截然不同的力学性质。
机械折点往往标记着材料发生变形的关键位置，例如金属被永久弯折的那一条线，或者DNA双链开始分离的部位。
材料科学家一直希望能够主动控制折点的位置，因为一旦可以移动折点，就能“重塑”材料的整体力学表现，比如改变哪些区域感觉柔软、哪些区域感觉坚硬。然而，在大多数材料中，折点会被能量势垒“锁死”，难以移动。此前也有研究尝试用声波驱动折点，但折点的运动通常非常混乱、难以预测。
加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院机械与航空航天工程系教授、论文共同通讯作者 Nicholas Boechler 指出，传统方法难以实现对折点的精确操控。
利用结构设计，让折点“无能量成本”移动
在这项新工作中，Boechler 与密歇根大学的共同通讯作者 Xiaoming Mao 以及 CNRS 勒芒大学声学实验室的 Georgios Theocharis 合作，提出了一种利用声波以可控方式移动折点的方案。
他们设计并模拟了一种特殊的模型材料，在这种材料中，移动折点几乎不需要额外能量——这是非常罕见且反直觉的特性。材料的行为主要由其内部结构几何决定，而不是由化学成分决定。
在该模型中，无论折点位于何处，折点所在区域始终是柔软的，而远离折点的区域刚度会逐渐增加。如果将折点移动到材料的一端，那么这一端会变得柔软，而刚度会向另一端呈指数式增加；若把折点移到另一端，刚度分布则完全翻转；当折点位于中间时，材料中心最柔软，两端最坚硬。
Boechler 形象地表示：“我们的想法是，等于做出了一个声学‘牵引束’，可以用声波拖动折点，从而改变材料的触感，并按需在材料内部生成刚度梯度。”
由于模型材料中不存在显著的能量屏障，研究人员不仅能用声波移动折点，而且可以让折点以可预测、逐步推进的方式移动。
声波脉冲：一步步“拉走”折点
研究显示，当从材料一侧发射声波时，声波会把折点“拉向”声源方向。可以发送一个短脉冲，让折点移动一小段距离；再发送一个脉冲，折点再前进一点。通过连续脉冲，就能实现对材料内部状态的远程、分步控制。
为验证这一概念，团队搭建了一个宏观实验模型：一串可旋转圆盘沿一条直线堆叠，并通过弹簧相互连接。每个圆盘代表一个“原子”，弹簧则模拟原子间的键合。链条中有一个圆盘的取向与其他不同，用来代表折点。
当短脉冲声波注入这条结构时，折点会被拉向声源方向，每次移动几个圆盘的距离。每增加一次短振动脉冲，折点就进一步向前推进。当施加持续时间更长的振动时，折点会被不断拉过整条链，最终实现链条两侧“软硬对调”：原本柔软的一侧变硬，原本坚硬的一侧变软。
目前，研究人员主要实现了“拉动”折点，而尚不能“推开”折点，但他们强调，这种精度和可控性已经超过以往任何相关实验结果。团队还发现，只有特定频率范围内的声波才能有效驱动折点移动，其他频率则几乎不起作用。
计算机模拟进一步表明，当声波传播到折点位置时，一部分波会被反射，另一部分会透过折点继续前进。尽管如此，声波与折点之间的相互作用仍能传递足够的动量，使折点持续移动。
潜在应用与未来方向
这项研究中提出的模型系统，为未来多种应用提供了可能性，包括：
- 可按需调节刚度的智能材料；
- 能改变形状或力学响应的可变结构；
- 利用折点位置变化进行稳健信号传输的材料系统。
Boechler 表示，目前这一系统仍然是一个“玩具模型”。但如果能将类似的结构真正集成到实际材料中，就有望获得可以即时自适应的结构——通过声波对材料进行“重新编程”。
下一步，团队计划探索该模型在三维结构中的扩展，并研究类似效应是否可以在更小尺度，甚至接近原子尺度的系统中出现。
“这是一项基础研究，”Boechler 总结道，“但基础性的发现往往是推动长期技术进步的关键。我们的工作展示了在设计具有全新特性的材料时，可能实现的能力边界。”
论文的其他作者包括：加州大学圣地亚哥分校的 Kai Qian（第一作者）和 Nicolas Herard，以及密歇根大学的 Nan Cheng、Francesco Serafin 和 Kai Sun。
