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具有无限可能的变形材料

导读 哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的研究人员开发出一种可变形材料,可以采取和保持任何可能的形状,为可在一系列范围

哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的研究人员开发出一种可变形材料,可以采取和保持任何可能的形状,为可在一系列范围内使用的新型多功能材料铺平了道路应用,从机器人和生物技术到建筑。

该研究发表在《国家科学院院刊》上。

Lola England de Valpine 应用数学教授 L Mahadevan 说:“今天的变形材料和结构只能在几种稳定的配置之间转换,但我们已经展示了如何创建具有任意范围变形能力的结构材料。” ,有机和进化生物学,物理学和论文的高级作者。“这些结构允许对几何和力学进行独立控制,为使用新型可变形晶胞的工程功能形状奠定基础。”

设计可变形材料的最大挑战之一是平衡顺应性和刚性这两个看似矛盾的需求。Conformability 可以转换为新的形状,但如果太保形,则无法稳定地保持形状。刚性有助于将材料锁定到位,但如果太刚性,则无法呈现新形状。

该团队从一个具有两个刚性元件、一个支柱和一个杠杆以及两个可拉伸弹性弹簧的中性稳定单元开始。如果你看过皮克斯电影的开头,你就会看到一种中性稳定的材料。皮克斯灯头在任何位置都很稳定,因为重力总是被以协调方式拉伸和压缩的弹簧抵消,而不管灯的配置如何。一般来说,中性稳定系统,刚性和弹性元素的组合平衡细胞的能量,使每个中性稳定,这意味着它们可以在无数个位置或方向之间转换,并在其中任何一个位置或方向上保持稳定。

“通过拥有一个中性稳定的晶胞,我们可以将材料的几何形状与其在个体和集体层面的机械反应分开,”SEAS 的博士后研究员、该论文的共同第一作者 Gaurav Chaudhary 说。“单元格的几何形状可以通过改变其整体尺寸以及单个可移动支柱的长度来改变,而它的弹性响应可以通过改变结构内弹簧的刚度或长度来改变支柱和链接。”

研究人员将这种组件称为“异形材料”,因为它们能够变形为任何稳定的形状。研究人员将单个单元细胞与自然稳定的关节连接起来,从单个异形细胞构建 2-D 和 3-D 结构。

研究人员使用数学建模和现实世界的演示来展示材料的变形能力。该团队证明,一张异形细胞可以向上弯曲、扭曲成螺旋状、变形为两个不同面孔的形状,甚至可以承受重量。

“我们表明,我们可以将这些元素组装成具有异质机械响应的任何形状的结构,”SEAS 的博士后研究员、该论文的共同第一作者 S. Ganga Prasath 说。“由于这些材料以几何学为基础,它们可以按比例缩小以用作机器人或生物技术中的传感器,或者可以按比例放大以用于建筑规模。

Mahadevan 说:“总而言之,这些变形体为一类新的材料铺平了道路,这些材料的变形响应可以在多个尺度上进行控制。”

这项研究是由爱德华·苏西 (Edward Soucy) 共同撰写的。

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