超快速可重構(gòu)力學(xué)超材料誕生,變形金剛要走進(jìn)生活了？

在電影里，我們經(jīng)?？匆娮冃谓饎偪梢詮囊惠v車或一架飛機(jī)，搖身一變成為人形機(jī)器人。類似的，未來的飛機(jī)和智能機(jī)器人，為了適應(yīng)不同的任務(wù)和環(huán)境，也需要變化外形或者轉(zhuǎn)換性能。那么想要實現(xiàn)這個目標(biāo)，我們在材料方面還需要走一大步，但如今我們已經(jīng)一步步靠近這個目標(biāo)了，尤其是超快可重構(gòu)力學(xué)超材料的誕生，讓變形金剛出現(xiàn)在現(xiàn)實世界不再是幻想。

北航團(tuán)隊研究出超快可重構(gòu)力學(xué)超材料，有望用于變體飛行器等領(lǐng)域

北京航空航天大學(xué)潘飛副教授和所在團(tuán)隊，專門研究可用于航空航天、智能裝備等領(lǐng)域的材料和結(jié)構(gòu)。近年來，他們瞄準(zhǔn)形狀可變、性能可調(diào)的新型材料和結(jié)構(gòu)，嘗試從力學(xué)研究者的角度，提出一些潛在可行的解決方案。

為何選擇力學(xué)超材料為研究中切入點(diǎn)？

所謂力學(xué)超材料，是指通過人為設(shè)計材料的微結(jié)構(gòu)（或曰基本單元），來實現(xiàn)一些天然材料無法實現(xiàn)的新奇特性，例如一壓就扭的“壓扭超材料”。更為關(guān)鍵的是，通過對基本單元的力學(xué)設(shè)計，能在完成材料加工之后，對性能進(jìn)行定制化的調(diào)節(jié)。

為了實現(xiàn)材料形狀和性能的調(diào)節(jié)，潘飛所在團(tuán)隊主要關(guān)注的是以雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)為代表的基本單元。

事實上，生活中有很多這樣的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，比如發(fā)卡、開關(guān)、自行車腳架等等。這種單元通常擁有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)，對應(yīng)著兩個不同的形狀或性能。對于這兩個穩(wěn)態(tài)來說，無需持續(xù)能量輸入它們就能自動維持在某一種狀態(tài)，并能在一定的外部激勵下，反復(fù)進(jìn)行相互切換。由此可見這是一種典型的低功耗方案，只在調(diào)節(jié)形狀和性能的時候耗能，而維持所需的狀態(tài)時不耗能。

利用這些雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，潘飛等人致力于讓力學(xué)超材料的形狀和性能，能夠做到變化大、變化多、變化準(zhǔn)、變化快。“變化大”，即不同狀態(tài)的形狀或性能有足夠大的差異，“變化多”，即需要一個極大的可調(diào)節(jié)空間，“變化準(zhǔn)”是在面對任意目標(biāo)時都得能夠進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，能夠“指哪打哪”，“變化快”就是調(diào)節(jié)的速度必須要快。

超快可重構(gòu)力學(xué)超材料的誕生

在最近一項研究工作中，針對“變化大”和“變化快”的問題，該課題組取得了一定進(jìn)展，即讓材料在兩個形狀差異較大的狀態(tài)之間進(jìn)行切換，并實現(xiàn)了較快的切換速度。

具體來說，他們設(shè)計出了一種超快可重構(gòu)的力學(xué)超材料，其中二維和三維的超材料，能分別達(dá)到 25.38 倍面積/秒，以及 101.14 倍體積/秒的變化率。利用奇異大變形的雙穩(wěn)態(tài)單元，該團(tuán)隊實現(xiàn)了超材料形狀的快速重構(gòu)，為超材料變形速度的提高提供了新思路。預(yù)計在快速變形機(jī)器人、變體飛行器等領(lǐng)域，上述材料具備一定的潛在應(yīng)用前景。

不過潘飛坦言“如果要用到具體的場景上，還有一些問題需要解決，比如如何實現(xiàn)自動快速的展開，只有這樣才能實現(xiàn)真正的‘想怎么變就怎么變’?！?/p>

日前，相關(guān)論文以《基于預(yù)應(yīng)力雙穩(wěn)態(tài)殼的超快形狀可重構(gòu)手性力學(xué)超材料》（Ultrafast Shape-Reconfigurable Chiral Mechanical Metamaterial based on Prestressed Bistable Shells）為題發(fā)在 Advanced Functional Materials 上 [1]，博士生劉易哲是第一作者，潘飛和北航陳玉麗教授擔(dān)任共同通訊作者。

頂刊論文竟是從童年玩具“拍拍手環(huán)”得來！

本次工作的立項來源可謂十分偶然，它受到了一款童年玩具“拍拍手環(huán)”的啟發(fā)。

潘飛說在一次在逛玩具店的時候，意外發(fā)現(xiàn)了這種玩具。它具有兩個穩(wěn)定的形狀，一個是平坦展開的形狀，一個是卷成一個圈的形狀，這正是一個典型的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。“啪”地一聲，它就能以極快的速度從平坦?fàn)顟B(tài)卷在手腕上。這么快的響應(yīng)速度和這么大的變形幅度，讓潘飛覺得很有研究價值。

回到課題組，他便帶著師弟開始琢磨：這么簡單的玩具是如何實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)和快速切換的？它的這些特點(diǎn)是否能幫助他們解決超材料“變化大”和“變化快”的問題？

于是，他們從網(wǎng)上買來一些拍拍手環(huán)，把它們剪開之后，發(fā)現(xiàn)里面有一段從鋼圈尺上截下來的金屬片，甚至連鋼圈尺上的刻度都還在。但是鋼圈尺是沒有雙穩(wěn)態(tài)的。按照所找資料的介紹，只需要把鋼卷尺沿著兩個方向使勁彎一彎，就可以變成拍拍手環(huán)。

接下來，仔細(xì)閱讀文獻(xiàn)，他們弄清楚了金屬片雙穩(wěn)態(tài)的來源。從學(xué)術(shù)角度來講，拍拍手環(huán)應(yīng)該叫預(yù)應(yīng)力金屬殼，更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刂v應(yīng)該叫非歐幾里得殼。

簡單來說，正是由于“使勁彎一彎”引起的塑性變形，導(dǎo)致鋼圈尺里留下了一定的殘余應(yīng)力，從而改變了內(nèi)部的應(yīng)力平衡，讓其在不受外部約束和載荷的情況下，仍然具有兩個平衡穩(wěn)定構(gòu)型。

而以上過程，只能算是研究團(tuán)隊和跟本次課題的“初次見面”。歷時許久，直到超材料構(gòu)型確定下來，才算課題真正確定下來。

研究過程并不一帆風(fēng)順

一般的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑方式，并不適用于這種結(jié)構(gòu)。以彈簧等其他軸向伸長縮短的基本單元為例，利用井字格排列等簡單方法就能把超材料構(gòu)造出來。

但是，拍拍手環(huán)的不同之處在于，它是從一個長片卷起來的。卷起來的過程中，它自己和自己還會有接觸，只有這樣才能確保它的一頭會被包在卷內(nèi)部。

如何解決構(gòu)造的問題，讓這個課題一直停滯不前。后來， 潘飛在另一個課題里做手性蜂窩結(jié)構(gòu)的時候，偶然發(fā)現(xiàn)了一種有效的構(gòu)筑方式。

他說：“我發(fā)現(xiàn)拍拍手環(huán)的這種卷起來的變形，居然跟手性蜂窩是協(xié)調(diào)的！只需要在收縮的時候，讓它們都卷在手性蜂窩的圓柱形中心上就行。”

這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)過后，課題很快得以立項。隨后，他們結(jié)合手性蜂窩和預(yù)應(yīng)力殼，設(shè)計出一系列的二維和三維超材料，讓初步概念和思路得以形成。

結(jié)合實驗觀察和有限元仿真，課題組建立了預(yù)應(yīng)力殼收縮的動力學(xué)模型，從而實現(xiàn)收縮速度的有效計算，也讓他們可以更方便地進(jìn)行參數(shù)研究，進(jìn)而指導(dǎo)加工工藝的進(jìn)行。

之后，又對預(yù)應(yīng)力殼和超材料的靜力學(xué)和動力學(xué)特征進(jìn)行實驗性描述，并完成了演示樣品的制作以及應(yīng)用 demo 的展示。

其他關(guān)于重構(gòu)力學(xué)超材料的研究

1、4D制備可重構(gòu)的拉脹力學(xué)超材料

2023年2月，打印哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松院士課題組在《Matter》上發(fā)表題為“4D Printed Programmable Soft Network with Fractal Design and Adjustable Hydrophobic Performance”的文章。

研究團(tuán)隊首先受分形幾何概念啟發(fā)，將含多級微結(jié)構(gòu)的彎曲韌帶引入超材料中并結(jié)合4D打印技術(shù)，制備了具有力學(xué)性能（非線性應(yīng)力-應(yīng)變行為、泊松比）可調(diào)節(jié)、可編程和可重構(gòu)的拉脹力學(xué)超材料。

超材料的微結(jié)構(gòu)由兩條相同圓弧狀組成，具備旋轉(zhuǎn)對稱特性，含二級結(jié)

構(gòu)的微韌帶是通過將2n（n=1, 2, 4, 6）個一級結(jié)構(gòu)等比縮小并按照一級結(jié)構(gòu)幾何形狀首尾相連構(gòu)成。三級微韌帶以同樣的構(gòu)造原理構(gòu)造。最終，將具有多級微結(jié)構(gòu)的微韌帶組裝成手性超材料單元。通過建立幾何參數(shù)（ω/l, n, N, t/l,和θ）與宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系，揭示了超材料非線性力學(xué)行為的機(jī)理，實現(xiàn)了通過幾何參數(shù)對超材料非線性力學(xué)行為的調(diào)控和超材料力學(xué)行為的重編程和可重構(gòu)性。

隨后，研究團(tuán)隊將受荷葉表面超疏水微結(jié)構(gòu)啟發(fā)的含柱狀微結(jié)構(gòu)表面的電極膜與4D打印分形超材料骨架，集成為多層結(jié)構(gòu)的柔性形狀記憶可重構(gòu)電容式壓力傳感器（如圖2所示）。其具備力學(xué)性能和電學(xué)性能可重構(gòu)性的同時實現(xiàn)了高靈敏度以及對檢測位點(diǎn)的高順應(yīng)性。經(jīng)實驗證實，相比平面電極其信噪比(SNR)和靈敏度(S)分別實現(xiàn)了≈10倍和≈4倍的提升（如圖3所示）。突破了柔性傳感器性能在制造后不能隨環(huán)境變化或功能需求調(diào)節(jié)的局限。為適應(yīng)被檢測組織、皮膚和器官的力學(xué)性能的多樣性需求，提供了解決方案，在植入式醫(yī)療設(shè)備、可穿戴電子設(shè)備、人機(jī)交互、軟機(jī)器人等領(lǐng)域有良好的科研價值和廣闊的應(yīng)用前景。

2、國外對可重構(gòu)超材料的研究

2020年12月，美國陸軍和麻省理工學(xué)院（MIT）研究出一種連接超材料的新方法，能夠制造可重構(gòu)結(jié)構(gòu)。該方法由美國陸軍和麻省理工學(xué)院比特與原子研究中心的科學(xué)家共同開發(fā)，使用類似于樂高的離散晶格系統(tǒng)連接具有獨(dú)特力學(xué)性能的材料，開發(fā)具有可重構(gòu)能力的結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)適應(yīng)性、可重構(gòu)性和彈性，采用經(jīng)濟(jì)高效的注塑成型工藝和網(wǎng)格連接方式來快速組裝宏觀結(jié)構(gòu)，使用的材料包括剛性材料、柔順性材料、膨脹性材料和手性材料等類型。

該技術(shù)為制造可重構(gòu)機(jī)器人開辟了可能性。例如，一群機(jī)器人通過連接重組，形成橋梁，以便部隊過河，這將大幅提高部隊和裝備的軍事機(jī)動性和生存能力。

研究團(tuán)隊還將探索將增材制造用于該結(jié)構(gòu)制造的可行性。