当我们谈到“材料”时，脑海里往往浮现的是金属、混凝土、玻璃或橡胶等常见物质。它们有一个共同特征：是非活性的。只有在被推、拉、剪切或移动时，它们才会在外力提供的能量驱动下发生形变或位移，本身并不“主动做事”。

然而，还有一类完全不同的材料：活性物质。它们内部自带能量储备，能够利用这部分能量对外界刺激作出响应，而且往往以出人意料的方式表现出来。自然界中大量存在这样的例子：比如一群鸟组成的鸟群，会整体对风向、地形变化，或食物与栖息地的位置作出协调反应。

活性物质并不只存在于生物系统中，也可以在实验室中被“人工搭建”。过去几年里，来自阿姆斯特丹大学（荷兰）、剑桥大学（英国）和新南威尔士大学（澳大利亚悉尼）的国际物理学团队，一直在用小型马达、细杆和橡皮筋等简单元件，构造具有活性特征的材料。这些材料展现出许多令人惊讶、同时又极具应用潜力的性质。近期，该团队在这一方向上连续发表了两篇论文。

弯曲与断裂的新玩法

可以先做一个简单的日常实验：拿一张纸质票据，用两根手指从两端向中间压缩。你会发现，它会突然失稳，向某一侧弯曲。接着，用另一只手继续向内推压这张已经弯曲的纸，它一开始会抵抗，随后会“啪”地一下跳到另一侧——完成一次断裂式翻转。

这张纸是典型的非活性材料：在外力作用下，它只会经历一次弯曲和一次断裂，过程结束后就稳定下来。

研究人员展示了，当材料变成活性系统时，这种弯曲和断裂的行为会发生根本变化。为了构造能经历弯曲与断裂的活性材料，物理学家将一系列细杆首尾相连成一条链，并在每两个杆的连接处安装小型马达。马达的作用是让链条内部的相互作用变得“不对称”：当杆 A 运动时，杆 B 的响应（例如旋转角度）与“杆 B 运动时杆 A 的响应”并不相同。

令人意外的是，这样构造出来的链条在外力作用下依然会出现弯曲和断裂，但不再是一次性的过程。弯曲和断裂可以反复发生，甚至形成周期性的振荡。从技术语言来说，系统发生断裂的“临界点”被转化成了所谓的“临界奇异点”。通俗地讲，这意味着这些链条不再只是被动翻转，而是可以在外力和自身活性的配合下开始爬行、行走，甚至像“钻头”一样向前挖掘。

这项工作的论文由新南威尔士大学的 Sami Al-Izzi 和阿姆斯特丹大学的 Yao Du 共同担任第一作者，近期发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，其中一幅展示弯曲链条的图像还被选为该期刊的封面艺术。研究表明，这是一条实现具备自主动作和多种功能材料的新路径，尤其适合用于柔性“软体”机器人。此类活性材料有望成为更智能机器人机体的基础，使其在没有集中式控制的情况下也能执行复杂动作。

当“更活跃”反而让整体“更迟钝”

从建造桥梁到组装纳米机械装置，工程师在设计结构时依赖许多经典的力学原则。其中之一是勒夏特列原理，它大致可以理解为：微观层面发生的趋势会在宏观层面体现出来。比如，如果某个结构单元变硬，整体结构通常也会随之变硬。

在最近的一项研究中，这个物理学团队发现，对于活性物质，这条“常识”并不总成立。特别是，当构成活性材料的基本单元变得更活跃时，整个结构的整体活性反而可能下降。

为了验证这一点，研究人员再次使用马达和细杆，但这一次不是将它们排成一条链，而是搭建成一个二维格状结构。随后，他们测量了这个格子整体的弹性性质如何依赖于单个构建块的特性。

决定宏观行为的关键因素，是这些活性微观元件在材料内部的“渗透”能力。可以把它类比为水通过咖啡粉的过程：冲咖啡时，如果咖啡粉压得太紧，水就很难完全渗透进去。同样地，当材料中“低活性”的成分密度过高时，即便其他元件极其活跃，这种活性带来的弹性响应也未必能在整个结构中有效传递。

相关成果由阿姆斯特丹大学 Corentin Coulais 课题组的 Jack Binysh 作为第一作者，发表在《物理评论 X》（Physical Review X）期刊上。Binysh 和同事认为，他们发现的“勒夏特列原理失效”现象，对研究活性微结构的科学家具有根本意义，例如研究生物物理凝胶、上皮细胞单层以及类神经网络等系统的研究者。这项工作预计将在物理学、软物质科学、机械工程、生命科学和机器人学等多个领域引发广泛关注。