清華新聞網(wǎng)1月13日電 力學(xué)超材料通過(guò)對(duì)其內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)來(lái)獲得增強(qiáng)的或自然材料無(wú)法擁有的功能，這使其受到科學(xué)及工程領(lǐng)域的廣泛研究。力學(xué)超材料的初期研究方向主要為通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)獲得獨(dú)特的力學(xué)性能，如負(fù)泊松比、負(fù)壓縮性等。近年來(lái)，超材料的形狀變換與運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)等成為力學(xué)超材料的新興研究熱點(diǎn)，使得力學(xué)超材料在可展開(kāi)設(shè)備、軟體機(jī)器人、柔性電子設(shè)備等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。
從新的研究方向來(lái)說(shuō)，力學(xué)超材料的研究具有如何設(shè)計(jì)可以變形為不同數(shù)量的預(yù)定義形狀的超材料和如何設(shè)計(jì)擁有更復(fù)雜能量配置和變形狀態(tài)的超材料來(lái)適應(yīng)環(huán)境的變化等挑戰(zhàn)。所以對(duì)于力學(xué)超材料變形的可編程性，即變形預(yù)定義和可重構(gòu)性，即變形復(fù)雜多樣化的研究就顯得十分重要。
按照力學(xué)超材料的變形方式與狀態(tài)來(lái)說(shuō)，力學(xué)超材料可簡(jiǎn)單分為細(xì)梁、折紙和剪紙三大類(lèi)，雖然三類(lèi)間也存在交叉，但甚至沒(méi)有實(shí)現(xiàn)兩兩間的統(tǒng)一，這限制了力學(xué)超材料的可編程及可重構(gòu)性。相比于細(xì)梁類(lèi)，折紙類(lèi)和剪紙類(lèi)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)具有更大的共通性，剪紙是在折紙的基礎(chǔ)上引入剪切陣列，它們更容易實(shí)現(xiàn)變形的集合與統(tǒng)一。并且以往力學(xué)超材料的變形依賴(lài)于物理接觸，比如通過(guò)人手或機(jī)械系統(tǒng)，這限制了其應(yīng)用場(chǎng)景和環(huán)境適應(yīng)性，因此實(shí)現(xiàn)力學(xué)超材料的遠(yuǎn)程控制變形也十分重要。磁驅(qū)動(dòng)材料因能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程、快速和可逆的形狀變形，而常常被用作賦予超材料可編程性和可重構(gòu)性的策略。傳統(tǒng)的磁驅(qū)動(dòng)材料并沒(méi)有充分利用超材料的設(shè)計(jì)機(jī)制，同時(shí)具有磁編程角度單一，制造完成后整體形狀無(wú)法改變等問(wèn)題。
針對(duì)上述研究背景及存在的問(wèn)題，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院彌勝利課題組創(chuàng)新性地提出一種基于磁驅(qū)動(dòng)的可編程、可重構(gòu)的模塊化力學(xué)超材料（圖1），融入超材料的折紙與剪紙?jiān)O(shè)計(jì)機(jī)制，使其具有多種預(yù)定義變形形狀，從而能更好地適應(yīng)外界環(huán)境的變化與要求。研究將運(yùn)動(dòng)和變形設(shè)計(jì)到預(yù)定義的可互相轉(zhuǎn)化的折痕和剪痕中，允許更多的離散運(yùn)動(dòng)和力傳遞，可融合折紙的折疊、剪紙的旋轉(zhuǎn)及以剪痕為導(dǎo)向的折疊等變形方式，為形成復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)（圖2）。并且，這些結(jié)構(gòu)可以快速重新組裝和配置，能適應(yīng)復(fù)雜的情況。同時(shí)，此研究從新角度建立基本運(yùn)動(dòng)變形模型，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)和有限元分析，以定量了解所提出的模塊化力學(xué)超材料運(yùn)動(dòng)變形特性（圖3）。與磁純彈性體材料相比，所提出的模塊化力學(xué)超材料在變形過(guò)程中的能量損失大大減少。此研究也展示了所提出模塊化超材料在信息存儲(chǔ)及顯現(xiàn)、機(jī)械邏輯計(jì)算、可重構(gòu)機(jī)器人、可部署機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)果表明，高度可編程性和可重構(gòu)性擴(kuò)大了其應(yīng)用潛力，進(jìn)而能滿(mǎn)足更多的需求。
圖1.模塊化超材料的制造過(guò)程和設(shè)計(jì)機(jī)制
圖2.模塊化超材料變形機(jī)制
圖3.基本運(yùn)動(dòng)變形模型
近日，上述研究成果以“基于磁驅(qū)動(dòng)的具有高可編程性、可重構(gòu)性和多樣應(yīng)用性的模塊化力學(xué)超材料”（Magnetic-driven Modular Mechanical Metamaterials with High Programmability, Reconfigurability, and Multiple Applications）為題，發(fā)表在國(guó)際期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)-應(yīng)用材料與界面》 (ACS Applied Materials & Interfaces)期刊上。
論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院教授彌勝利，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)碩士生李林芷，其他作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2019級(jí)博士生姚弘毅。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c19679
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李若夢(mèng)
封面設(shè)計(jì)：王晨
審核：周襄楠
