在弹性材料上切出特定图案，可以让材料在受力时展开成全新的形状。研究人员现已证明，如果再为这种材料引入磁性，就能进一步控制其展开的先后顺序。这一成果不仅加深了我们对软质超材料行为机理的理解，也展示了其在动能吸收等工程应用中的潜力。

这项研究以《磁耦合将软质超材料中的随机弹跳转变为有序序列》为题，发表在《科学进展》（Science Advances）期刊上。

论文第一作者、北卡罗来纳州立大学博士生孙浩泽解释说：“如果你在一张聚合物薄片上切出一个 T 形图案，你就相当于创造了一种超材料，因为你改变了材料的整体力学性质。当你拉伸这张超材料薄片时，所有切口几乎会同时弹开，形成一个网状结构，从而延长薄片的长度。”

“我们接着好奇，如果在聚合物中掺入磁性材料并对薄片进行磁化，会发生什么？这种‘弹跳’展开的行为会不会改变？结果出乎我们的意料。”

论文通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系教授尹杰补充说：“我们发现，图案中的各行切口不再是同时弹开，而是一行接一行地依次弹开。这是因为磁力试图把薄片的部分结构拉在一起，而重力则把它们向下拉开。但这只是现象的第一层。”

进一步研究表明，每一张薄片上各行弹开的顺序是随机确定的，但一旦形成，就会在该薄片上保持稳定、可重复。例如，如果某张 A 薄片的弹开顺序是 1-2-3，那么无论重复多少次实验，它都会按照 1-2-3 的顺序展开；而另一张 B 薄片如果是 3-1-2，那么它每次也都会以 3-1-2 的顺序弹开。

“我们发现，决定每一行先后顺序的是材料中那些微小但不可避免的缺陷，”孙浩泽说，“正是这些细微缺陷打破了完全对称性，从而固定了弹开的序列。由于缺陷本身不会改变，弹跳顺序也就保持不变。这一点本身就非常有意思。”

在此基础上，研究团队尝试将多张磁化薄片并排放置，并在上下两端将它们夹紧固定，以观察相互作用带来的整体行为变化。

他们发现，当将两张薄片背靠背连接，并使它们的磁场方向相互排斥时，薄片上的行会以高度有序的方式从上到下依次弹开，实验中这种有序展开的成功率达到约 90%。

“这里有两个关键发现，”尹杰指出，“第一，通过对薄片进行磁化，我们可以让超材料从‘同时弹开’转变为‘按顺序弹开’。第二，通过合理排列这些磁化超材料，我们还能显著降低原本由缺陷引起的随机性，使行为更加可控。”

研究人员还验证了这一现象在能量吸收方面的实际价值。

“我们测量后发现，磁化后的弹性超材料比未磁化状态下多吸收了约 30% 的动能，”孙浩泽表示，“而且我们可以通过调节内部磁吸力的强弱来控制吸收的能量量级。磁力越强，超材料能够吸收的动能就越多。”

在演示实验中，研究人员让一个球体自由落在超材料上：当超材料未磁化时，球体会明显弹起；而在磁化状态下，球体则几乎不再反弹，直接被“吃掉”并停在材料表面。

“我们对这项研究未来的延展方向非常期待，”尹杰说，“这种可编程、有序的弹跳序列在引导波传播、可重构机器人以及生物医学设备等领域，都具有潜在的应用前景。”