千变万化的材料:“全能形态材料”能变形成任何稳定形状

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  来源:原理

  形状渐变(shape-morphing)材料和结构,指的是那些能够通过在两种或两种以上的稳定几何形状之间变换而改变形状的材料和结构。这类材料在航空航天、可再生能源、机器人技术、生物技术等应用中都具有重大优势。

  然而到目前为止,现有的变形材料和结构只能在少数几种稳定的构型之间转换,这种有限的转换能力,阻碍了这些材料更好地释放它们的应用潜能。在一项新的研究中,哈佛大学的一组研究人员利用中性稳定性(neutral stability)概念,发展出了一种可以变换形成任何可能形状的结构材料

  在新设计出的这类结构材料中,它们的几何形状力学响应这两个性质可以被拆分开来,使我们可以对这两个性质进行独立控制。这样的特点为可用于各种应用领域的新型多功能材料铺平了道路。

  一直以来,在设计形状渐变材料时遭遇的最大挑战之一就是,如何平衡顺应性刚性这两个需求。这是两个看似矛盾的需求,顺应性能使材料变换成新的形状,但如果顺应性太强,就会影响材料维持稳定形状的能力;而刚性则有助于将材料在合适的位置固定,但如果刚性太强,就会导致材料不能呈现新的形状。

  在新研究中,研究团队展示了如何使用中性稳定的晶胞作为构建块,来创建变形结构材料。一般来说,中性稳定系统是由刚性组件和弹性组件共同组合而成的。如果你看过皮克斯电影的片头,那你其实已经见过中性稳定材料。皮克斯影片片头中的台灯灯头,就在任何位置上都是稳定的,因为不管台灯的构型如何,重力总是能够被以一种协调的方式拉伸和压缩的弹簧所抵消。

  皮克斯电影片头的小台灯Luxo。 Jr就是中性稳定的一个例子。|图片来源:Wikipedia

  研究团队所采用的是中性稳定的晶胞,这些晶胞中包含两个刚性组件,一个撑和一个杆;它的弹性组件是由两个可拉伸的弹簧构成的。这种组合能够平衡晶胞的能量,使每个晶胞都中性稳定,它们可以在无数个位置或方向之间转换,并且在任何一个位置或方向上都是稳定的。如此一来,这些晶胞所表现出一种类似于理想的刚塑性材料所拥有的可调谐机械响应。

  这些单个晶胞的几何可以通过改变其总体大小,以及它的杆的长度而改变;而它的弹性应答则可以通过改变其弹簧结构的刚性,或撑的长度和连接而改变。因此, 有了这些中性稳定晶胞,就可以将材料的几何形状与机械反应这两个性质分离开来,在无论是在单个晶胞还是晶胞集体的水平上,实现对结构和力学的独立控制

  研究人员创造出了一种能够变形成任何稳定形状的材料结构,通过将单个的晶胞与自然稳定的关节连接起来,他们用这些单个的全能形态材料构建出了二维和三维结构。研究人员将这种材料称为“全能形态材料(totimorphic materials),因为它们能够变形成任何稳定的形状。通过将这些晶胞组合连接在一起,他们成功地从单个的全能形态晶胞中构建出了二维和三维结构。

  通过数学建模和真实的模拟演示,研究团队展示了这种材料的形态转换能力。他们发现一片全能形态晶胞可以向上弯曲、扭曲成螺旋状、变形成有着两个不同面的形状,甚至可以承受重量。这表明,这些晶胞可以被组装成具有不同机械反应的任何形状结构。

  由于这些材料是以其几何形状为基础的,因此它们的变形反应可以在多个尺度上得到控制。比如可以按比例缩小,用于机器人或生物技术传感器上;也可以按比例放大,用于建筑等应用之上。所有的这一切,都为利用一种新型的可变形晶胞实现功能性形状奠定了基础。

  #创作团队:

  原文:Anne Trafton

  编译:小雨

  #参考来源:

  https://www.seas.harvard.edu/news/2021/10/shape-shifting-materials-infinite-possibilities 

  https://www.pnas.org/content/118/42/e2107003118

  #图片来源

  封面图:Harvard SEAS

  #视频来源

  Harvard John A。 Paulson School of Engineering and Applied Sciences


新闻来源:新浪