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2021年10月22日消息，哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 (SEAS) 的研究人員開發(fā)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(nèi)使用的新型多功能材料鋪平了道路應(yīng)用，這些應(yīng)用可以是機(jī)器人、生物技術(shù)、建筑……
該研究發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。
圖片來源：哈佛海洋
Lola England de Valpine 應(yīng)用數(shù)學(xué)教授 L Mahadevan 說：“今天的變形材料和結(jié)構(gòu)只能在幾種穩(wěn)定的配置之間轉(zhuǎn)換，但我們已經(jīng)展示了如何創(chuàng)建具有任意范圍變形能力的結(jié)構(gòu)材料。這些結(jié)構(gòu)允許對幾何和力學(xué)進(jìn)行獨(dú)立控制，為使用新型可變形晶胞的工程功能形狀奠定基礎(chǔ)。”
設(shè)計(jì)可變形材料的最大挑戰(zhàn)之一是平衡順應(yīng)性和剛性這兩個(gè)看似矛盾的需求。Conformability 可以轉(zhuǎn)換為新的形狀，但如果太柔軟，則無法穩(wěn)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(xiàn)新形狀。
該團(tuán)隊(duì)從一個(gè)具有兩個(gè)剛性元件、一個(gè)支柱和一個(gè)杠桿以及兩個(gè)可拉伸彈性彈簧的中性穩(wěn)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(wěn)定的材料。皮克斯燈頭在任何位置都能保持穩(wěn)定，因?yàn)橹亓偸潜灰詤f(xié)調(diào)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(wěn)定系統(tǒng)，剛性和彈性元素的組合平衡細(xì)胞的能量，使每個(gè)中性穩(wěn)定，這意味著它們可以在無數(shù)個(gè)位置或方向之間轉(zhuǎn)換，并在其中任何一個(gè)位置或方向上保持穩(wěn)定。
“通過擁有一個(gè)中性穩(wěn)定的晶胞，我們可以將材料的幾何形狀與其在個(gè)體和集體層面的機(jī)械反應(yīng)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(gè)可移動支柱的長度來改變，而它的彈性響應(yīng)可以通過改變結(jié)構(gòu)內(nèi)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?yàn)樗鼈兡軌蜃冃螢槿魏畏€(wěn)定的形狀。研究人員將單個(gè)單元細(xì)胞與自然穩(wěn)定的關(guān)節(jié)連接起來，從單個(gè)異形細(xì)胞構(gòu)建 2-D 和 3-D 結(jié)構(gòu)。
研究人員使用數(shù)學(xué)建模和現(xiàn)實(shí)世界的演示來展示材料的變形能力。該團(tuán)隊(duì)證明，一張異形細(xì)胞可以向上彎曲，扭曲成螺旋狀，變成兩個(gè)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(gòu)機(jī)械響應(yīng)的任何形狀的結(jié)構(gòu)，”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(xué)為基礎(chǔ)，它們可以按比例縮小以用作機(jī)器人或生物技術(shù)中的傳感器，或者可以按比例放大以用于建筑規(guī)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(yīng)可以在多個(gè)尺度上進(jìn)行控制。”
這項(xiàng)研究是由愛德華·蘇西 (Edward Soucy) 共同撰寫的。
原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_499825.html
來源：賢集網(wǎng)
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