多个领域的进步取决于高质量材料。如今，一类新的尺度丰富超材料（scale-rich metamaterials）通过引入受控无序被设计出来，其灵感来自叶片维管网络和蜻蜓翅脉等自然网络。
工程师在设计合成超材料时，数十年来一直追求数学上的完美，模仿相同的微观构建单元来制造刚性蜂窝和点阵结构。麻省理工学院与东北大学的一项新合作证明，少量无序反而效果更好。
物理测试证明，这些不规则材料具有更好的抗冲击性、可调刚度，并能保护脆弱的嵌入物体。
该技术有望推动更安全的运动头盔和轻质防弹衣的发展。它还可能实现精密声学透镜，以高精度控制声波和振动。
少量无序制造合成材料
该研究引入了尺度丰富超材料。这些合成结构放弃均匀网格，转而采用模仿叶片维管网络、神经连接甚至互联网的杂乱、蔓延的物理网络。
均匀超材料存在一个弱点。当重复点阵中的单个单元开裂或刺穿时，周围相同的单元会立即随之失效，导致连锁坍塌。麻省理工学院副教授Carlos Portela及其团队希望抑制这种局部失效，因此与网络科学先驱、东北大学物理学家Albert-László Barabási合作。
Barabási的职业生涯一直在研究从社交媒体链接到金融市场的无形网络，以理解网络如何抵抗崩溃。研究人员共同将这些抽象数学规则转化为有形的物理物质。
团队编写了一种算法，在不使用任何重复模式的情况下生成材料的虚拟蓝图。程序在空间中选取一个随机点，并绘制一条贯穿整个区域的线。
新闻稿解释称，程序随后选取第二个随机点，并绘制一条线，该线在碰到第一条线或外边缘时停止。重复此过程数千次，便形成由尺寸和厚度变化极大的相交支撑梁构成的密集网状架构。
抗冲击超材料
科学家只需调整算法中的两个参数即可定制材料的刚度：初始线的厚度以及后续线变细的速度。
在模拟这些变化后，研究人员3D打印了信用卡大小的聚合物样品，其互连梁的尺寸从微米到厘米不等。
此外，物理测试证实，这些无序网络全面优于通常的有序材料。尺度丰富设计能够吸收突然的猛烈冲击而不发生屈曲，提供大范围可调刚度，并成功缓冲嵌入其内部深处的脆弱物体。
Portela表示：“这是超材料的一种全新思维方式。为材料解锁这种网络设计，确实让我们能够自由构想此前不可能实现的新微结构和力学优势。”
在实际应用中，制造商很快就能使用该算法打印下一代运动头盔、轻质防弹衣以及精密声学透镜，后者以前所未有的控制能力聚焦声波和振动。
研究结果发表在《Nature》期刊上。
