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 2021年10月22日消息，哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院 (SEAS) 的研究人員開發出一種可變形材料，可以采取和保持任何可能的形狀，為可在一系列范圍內使用的新型多功能材料鋪平了道路應用，這些應用可以是機器人、生物技術、建筑……



該研究發表在《美國國家科學院院刊》上。





圖片來源：哈佛海洋



Lola England de Valpine 應用數學教授 L Mahadevan 說：“今天的變形材料和結構只能在幾種穩定的配置之間轉換，但我們已經展示了如何創建具有任意范圍變形能力的結構材料。這些結構允許對幾何和力學進行獨立控制，為使用新型可變形晶胞的工程功能形狀奠定基礎。”



設計可變形材料的最大挑戰之一是平衡順應性和剛性這兩個看似矛盾的需求。Conformability 可以轉換為新的形狀，但如果太柔軟，則無法穩定地保持形狀，剛性有助于將材料鎖定到位，但如果太剛性，則無法呈現新形狀。



該團隊從一個具有兩個剛性元件、一個支柱和一個杠桿以及兩個可拉伸彈性彈簧的中性穩定單元開始。如果你看過皮克斯電影的開頭，你就會看到一種中性穩定的材料。皮克斯燈頭在任何位置都能保持穩定，因為重力總是被以協調方式拉伸和壓縮的彈簧抵消，而不管燈的配置如何。



一般來說，中性穩定系統，剛性和彈性元素的組合平衡細胞的能量，使每個中性穩定，這意味著它們可以在無數個位置或方向之間轉換，并在其中任何一個位置或方向上保持穩定。



“通過擁有一個中性穩定的晶胞，我們可以將材料的幾何形狀與其在個體和集體層面的機械反應分開，”SEAS 的博士后研究員、該論文的共同第一作者 Gaurav Chaudhary 說：“單元格的幾何形狀可以通過改變其整體尺寸以及單個可移動支柱的長度來改變，而它的彈性響應可以通過改變結構內彈簧的剛度或長度來改變。支柱和鏈接。”



研究人員將這種組件稱為“異形材料”，因為它們能夠變形為任何穩定的形狀。研究人員將單個單元細胞與自然穩定的關節連接起來，從單個異形細胞構建 2-D 和 3-D 結構。



研究人員使用數學建模和現實世界的演示來展示材料的變形能力。該團隊證明，一張異形細胞可以向上彎曲，扭曲成螺旋狀，變成兩個不同面孔的形狀，甚至可以承受重量。



“我們表明，我們可以將這些元素組裝成具有異構機械響應的任何形狀的結構，”SEAS 的博士后研究員、該論文的共同第一作者 S. Ganga Prasath 說：“由于這些材料以幾何學為基礎，它們可以按比例縮小以用作機器人或生物技術中的傳感器，或者可以按比例放大以用于建筑規模。”



Mahadevan 說：“總而言之，這些變形體為一類新的材料鋪平了道路，這些材料的變形響應可以在多個尺度上進行控制。”



這項研究是由愛德華·蘇西 (Edward Soucy) 共同撰寫的。

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來源：賢集網
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