一团被紧密挤压在一起的办公订书针，竟能表现出出乎意料的高强度。用手去拉扯时，这团金属像一整块固体般顽强抵抗；但只要施加合适的晃动或振动，它又能迅速松散开来。科罗拉多大学博尔德分校保罗·M·拉迪机械工程系的一支工程与材料科学团队，正试图理解并利用这种“既硬又软”的特殊行为，开发基于互锁颗粒的新型材料。研究人员认为，如果能模仿订书针之间的锁合与解锁机制，未来有望打造出既坚固、又高度适应，甚至可完全回收的结构材料。

“多年来我们一直在研究积木和几何形状，但直到最近才真正把注意力转向互锁、缠结的颗粒体系。”先进材料与仿生实验室负责人弗朗索瓦·巴特拉（François Barthelat）教授表示。

“这些系统能展现出非常独特的性能组合，我们对它们的潜力感到非常兴奋，也相信这项技术可以在多个方向上延展。”

解开“缠结”之谜

这项发表在《应用物理学杂志》上的研究，聚焦于研究人员所谓的“缠结”现象——多个颗粒彼此交织、互相勾连，从而形成稳定连接。

这一概念在自然界并不陌生。许多生物结构都依赖缠结和互锁来获得强度和稳定性：例如由交织树枝和纤维构成的鸟巢，或骨骼中硬质矿物与柔软蛋白质之间的复杂嵌合。

那么，如何在人工材料中复制这种自然界的缠结机制？巴特拉团队认为，关键在于颗粒本身的形状设计。

“想想沙子。普通沙粒表面光滑、形状凸出，颗粒之间几乎无法互相勾住。”博士生孙尤汉（音译，Yuhan Sun）解释道，“但我们发现，只要改变这些颗粒的几何形状，就能显著改变它们的整体行为和力学性能，包括它们彼此连接、互锁的能力。”

在意识到形状的重要性后，团队开始利用蒙特卡洛模拟这一计算方法，来预测不同颗粒形状之间可能出现的互锁方式。他们的目标是：找出能实现最大缠结程度的几何设计。

在模拟中筛选出最优形状后，研究人员进一步进行了实际“拾取测试”，观察这些缠结颗粒在现实中的表现。

结果显示，具有“两条腿”的颗粒——外形类似订书针——在缠结能力上表现最为突出。同时，团队还意外发现，这种形状带来了几个额外优势，使其在设计上更具吸引力。

首先，是罕见的高拉伸强度与高韧性同时出现。研究人员指出，传统材料往往难以兼顾这两种性能。

“由订书针状颗粒构成的缠结材料，同时展现出了高强度和高韧性。”博士生赛义德·佩泽什基（Saeid Pezeshki）说。

其次，是这种材料可以快速组装成整体，又能同样迅速地解体。

通过施加不同模式的振动，团队可以按需调节颗粒之间的缠结程度。例如，较小幅度的振动有助于颗粒互锁、增强整体强度；而更剧烈的振动则能让它们完全解开，恢复为松散颗粒。

“这是一种非常奇特的材料，它显然不是液体，但也不完全像传统固体。”巴特拉说，“从工程角度看，这为我们打开了一个全新的可能空间。握住一团缠结颗粒的感觉，非常陌生又有点超现实。”

重新想象材料的用途

在潜在应用方面，团队首先想到的是可持续性。研究人员设想，未来大型建筑、桥梁等基础设施，或许可以部分采用这类缠结材料构建。结构在服役期结束后，可以被拆解成颗粒，进而实现高效再利用甚至完全回收。

另一个方向则是机器人技术。

“我和实验室里的同学讨论过，大家认为这项技术可能非常适合群体机器人。”佩泽什基说，“想象一下，一群小型机器人可以彼此缠结，形成一个整体去完成任务，之后再解开，重新分散行动。”

“是的，有点像《终结者2》里的液态金属机器人T-1000。”巴特拉补充道，“它可以变形穿过门缝，然后在另一侧重新组合成一个人形。现实中要做到这一点成本很高、规模化也很难，但这是许多研究者都在关注的方向。”

目前，团队正推进下一阶段研究。他们正在测试一种带有更多突出“腿”的新型颗粒形状——类似那些会粘在鞋上的刺状植物果实——希望借此获得更强的缠结能力和更丰富的可调性能。

不过，对这支团队来说，无论具体项目如何变化，最重要的是保持好奇心和探索热情。

“我们并不确定这条路最终会通向哪里，但我们会继续在这个过程中寻找乐趣。”巴特拉说，“大多数人不会想到，用订书针这样的日常小物件也能做出强度惊人的材料，因为这听起来很不合常理。直到他们亲手试着折断一团缠在一起的订书针，才会发现几乎做不到。”

“我们就喜欢接手这种看起来有点‘不靠谱’、但又充满挑战的问题，然后把它们研究透。”