清華新聞網(wǎng)6月9日電 自然界中普遍存在著可編程的“材料”，它們通過(guò)內(nèi)嵌的“開(kāi)關(guān)”來(lái)實(shí)現(xiàn)自身形狀或運(yùn)動(dòng)方式的改變，從而實(shí)現(xiàn)特定功能或適應(yīng)特殊工況。例如，捕蠅草感應(yīng)外界環(huán)境而誘導(dǎo)葉面失穩(wěn)完成對(duì)昆蟲(chóng)的捕捉，含羞草通過(guò)感應(yīng)外界激勵(lì)將葉片進(jìn)行快速的閉合實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的保護(hù)。與此相比，傳統(tǒng)材料盡管支撐了人類(lèi)文明幾千年的發(fā)展，但性能參數(shù)仍然是剛度和強(qiáng)度等被動(dòng)的力學(xué)性能，不具有多模態(tài)和多路徑的變形能力，也難以進(jìn)行適時(shí)自主調(diào)整。
圖1. 多模態(tài)和多路徑變形的可折展力學(xué)超材料
最近，清華大學(xué)航天航空學(xué)院陳常青教授課題組提出了一個(gè)基于“鉸-桿”模型的通用設(shè)計(jì)框架，實(shí)現(xiàn)了具有多模態(tài)、多路徑變形能力的力學(xué)超材料。利用外界激勵(lì)（如力、熱、光、電、磁等）所誘導(dǎo)產(chǎn)生變形的臨界閾值不同，使力學(xué)超材料實(shí)現(xiàn)了多步的順序變形，從理論上證明了n步變形的可行性。并以雙穩(wěn)態(tài)自折疊單元作為折疊鉸，通過(guò)改變尺寸來(lái)調(diào)控突跳閾值，進(jìn)而構(gòu)建具有不同變形模態(tài)的基本單元（力學(xué)超材料元胞），實(shí)現(xiàn)了從一維到二維和從二維到三維的多步、多模態(tài)變形的可折展力學(xué)超材料（圖2）。
圖2. 多步多模態(tài)力學(xué)超材料設(shè)計(jì)思想。（a）基于“鉸-桿”模型的通用設(shè)計(jì)框架；（b）基于自折疊單元的三步變形元胞；（c）基于剪紙的自折疊單元
課題組還采用雙材料增材制造技術(shù)（3D打?。瑢?shí)現(xiàn)了具有可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)性質(zhì)的自折疊單元，克服了可展力學(xué)超材料在實(shí)際應(yīng)用中不可恢復(fù)和無(wú)法重編程的難題，使其具備溫度誘導(dǎo)的可恢復(fù)變形能力和不同變形路徑間相互轉(zhuǎn)換的能力，豐富了可展力學(xué)超材料變形模態(tài)的設(shè)計(jì)空間（圖3）。此外，基于該力學(xué)超材料多模態(tài)和快速可展特性，展示了在可調(diào)低頻減震器和主動(dòng)緩沖類(lèi)機(jī)器人材料中的潛在應(yīng)用。上述力學(xué)超材料還有望應(yīng)用于毫米級(jí)血管支架、多模態(tài)可重構(gòu)超材料、自折疊自組裝機(jī)器人、空間可展結(jié)構(gòu)、可變形建筑等領(lǐng)域（圖4）。
圖3. 溫度誘導(dǎo)的可恢復(fù)變形和多路徑變形
圖4.多模態(tài)、多變形路徑力學(xué)超材料在不同尺度的潛在應(yīng)用
相關(guān)研究成果以“具有多路徑變形能力的可展力學(xué)超材料”（Deployable mechanical metamaterials with multi-step programmable transformation）為題，近日在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）發(fā)表，展示出超材料具有突破傳統(tǒng)力學(xué)性能的多模態(tài)、多路徑的主動(dòng)變形能力。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院陳常青教授為論文通訊作者，2019級(jí)博士生孟志強(qiáng)為第一作者。作者還包括劉明超博士（現(xiàn)為新加坡南洋理工大學(xué)博士后）、2018級(jí)錢(qián)學(xué)森力學(xué)班本科生顏湖杰，以及合作者美國(guó)華盛頓大學(xué)蓋伊·杰寧（Guy M.Genin）教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委支持。近年來(lái)，陳常青課題組在力學(xué)超材料領(lǐng)域取得了一系列成果，包括拓?fù)潇o態(tài)孤子、多步變形、非線(xiàn)性拓?fù)溥吔鐟B(tài)和機(jī)械計(jì)算等。
論文連接：
https://science.org/doi/10.1126/sciadv.abn5460
供稿：航天航空學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
