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 加州理工學(xué)院和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的工程師開發(fā)了一種受鎖子甲啟發(fā)的材料，可以在壓力下從可折疊的流體狀狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟ǖ墓腆w形狀。
加州理工學(xué)院的 G. Bradford Jones 教授 Chiara Daraio 表示，這種材料具有潛在的應(yīng)用，可用作外骨骼的智能織物，或者作為一種適應(yīng)性模型，在損傷愈合時(shí)調(diào)整其剛度，甚至作為可以展開和加固的可展開橋梁機(jī)械工程和應(yīng)用物理學(xué)博士，也是8 月 11 日發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)描述該材料的研究的通訊作者。
“我們想要制造可以根據(jù)指令改變剛度的材料，”Daraio 說。“我們想創(chuàng)造一種以可控方式從柔軟、可折疊到剛性和承重的織物。” 流行文化中的一個(gè)例子是 2005 年電影《蝙蝠俠開始》中的蝙蝠俠披風(fēng)，它通常是靈活的，但可以在披風(fēng)十字軍需要它作為滑翔面時(shí)隨意變硬。
Daraio 指出，我們周圍已經(jīng)存在以類似方式改變特性的材料。“想想真空密封袋中的咖啡。當(dāng)仍然包裝時(shí)，它是固體，通過我們稱之為‘堵塞’的過程。但是一旦你打開包裝，咖啡渣就不再相互卡住，你可以像倒液體一樣倒它們，”她說。
單個(gè)咖啡渣和沙粒具有復(fù)雜但不連貫的形狀，只有在壓縮時(shí)才會(huì)堵塞。然而，連接環(huán)的片材會(huì)在壓縮和張力下（當(dāng)推到一起或拉開時(shí)）卡在一起。“這就是關(guān)鍵，”Daraio 說。“我們測(cè)試了許多粒子，看看哪些粒子既具有靈活性又具有可調(diào)剛度，而那些僅在一種壓力下卡住的粒子往往表現(xiàn)不佳。”

為了探索哪種材料最有效，Daraio 與前加州理工學(xué)院博士后研究員 Yifan Wang 和前加州理工學(xué)院研究生 Liuchi Li（博士 '19）一起作為Nature論文的共同主要作者，設(shè)計(jì)了許多連接粒子的配置，從連接環(huán)連接立方體連接八面體（類似于底部連接的兩個(gè)金字塔）。

在加州理工學(xué)院為 NASA 管理的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家道格拉斯·霍夫曼 (Douglas Hofmann) 的幫助下，這些材料是用聚合物甚至金屬 3D 打印出來的。然后，這些配置在計(jì)算機(jī)中使用來自 José E. Andrade 小組的模型進(jìn)行模擬，José E. Andrade 是土木與機(jī)械工程的 George W. Housner 教授，也是加州理工學(xué)院顆粒材料建模方面的常駐專家。
“顆粒材料是復(fù)雜系統(tǒng)的一個(gè)很好的例子，在顆粒尺度上的簡(jiǎn)單相互作用可以導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜行為。在這個(gè)連鎖郵件應(yīng)用程序中，在顆粒尺度上承載拉伸載荷的能力改變了游戲規(guī)則。就像有一根繩子可以承受壓縮載荷。模擬這種復(fù)雜行為的能力為非凡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能打開了大門，“安德拉德說。
工程師施加外部壓力，使用真空室壓縮織物或通過放下重物來控制材料的卡住。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，一種真空鎖定的鏈甲織物能夠承受 1.5 公斤的負(fù)荷，是織物自身重量的 50 多倍。機(jī)械性能（從柔軟到堅(jiān)硬）變化最大的織物是那些顆粒之間平均接觸次數(shù)較大的織物，例如連接環(huán)和正方形，類似于中世紀(jì)的鏈甲。

“這些面料在智能可穿戴設(shè)備中具有潛在的應(yīng)用：在未卡住時(shí)，它們重量輕、柔順且穿著舒適；在卡住過渡后，它們成為穿戴者身體上的支撐和保護(hù)層，”現(xiàn)任助理教授的王說在新加坡南洋理工大學(xué)。

在一個(gè)可以展開然后被驅(qū)動(dòng)穿過的橋梁的例子中，Daraio 設(shè)想將電纜穿過材料，然后收緊以堵塞顆粒。“把這些電纜想象成連帽衫上的拉繩，”她說，并指出她現(xiàn)在正在探索這種電纜方案和其他可能性。

在所謂的智能表面的并行工作中，表面可以隨意改變形狀到特定的配置，Daraio 與博士后學(xué)者 Ke Liu 和訪問學(xué)生 Felix Hacker 最近展示了一種通過嵌入網(wǎng)絡(luò)來控制表面形狀的方法熱響應(yīng)液晶彈性體 (LCE)，加熱時(shí)會(huì)收縮的聚合物薄條。這些 LCE 包含可拉伸的加熱線圈，可以用電流充電，加熱它們并使其收縮。當(dāng) LCE 收縮時(shí)，他們拉動(dòng)嵌入它們的柔性材料并將其壓縮成預(yù)先設(shè)計(jì)的固體形狀。

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來源：賢集網(wǎng)
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