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重磅成果！中华文化和材料的完美结合！

2022-06-21 11:24:28 0 437

一、研究背景

具有可调弹性特性的材料为智能机器、机器人、飞机和其他系统提供了巨大的可能性。例如，具有可变刚度的机器人系统可以适应抓取和跳跃等任务，或者在多变的环境中保持最佳性能。然而，即使诱发相变，传统材料的弹性性质也几乎不可调。机械超材料是人造建筑材料，其表现出的特性超过了传统材料。大多数现有的超材料将单功能承重基本结构(如杆、梁或板)集成到具有固定或铰接节点的特定拓扑结构中。可重构的超材料为性质的剧烈变化提供了可能性。当受到应力、热量或电磁场的刺激时，这些超材料的重新配置是通过形成新的接触、弯曲或旋转铰链来诱导的。由于节点限制，这仅允许在几个稳定状态之间整形，并且通常包括不稳定状态，这限制了可调谐性。降低连接性或放松约束(例如，使用手性结构或通过弯曲陷阱连接元件)可以使更多的状态提高形状改变能力，但这不可避免地会降低对大多数应用至关重要的鲁棒性和结构稳定性。

此外，包括形状记忆效应在内的重新配置通常涉及大变形，这种大变形要么导致不可逆的塑性变形，要么不利地与通常要求的高刚度竞争。尽管化学响应材料能够实现一些原位可调性，但是它们的弹性性质的调节过程通常非常缓慢，就像热响应材料一样。将安装有齿轮的杆装配到特殊的网格中可以提高稳定性，同时保持可旋转的节点，但是具有连续可调弹性的工程实用和鲁棒的超材料，特别是在使用中具有快速原位可调性，仍然是一个重大挑战。

二、研究成果

传统块体材料的弹性性质很难在操作中改变或调节，而这种可调节的弹性对于机器人和智能机械是非常需要的。尽管在可重构超材料中是可能的，但现有设计中的连续可调谐性受到诸如结构不稳定性、弱鲁棒性、塑性失效和慢响应等问题的困扰。

为解决这个世界难题，近日，国防科技大学方鑫、温激鸿等研究人员报告了一种超材料设计范例，使用具有编码刚度梯度的齿轮作为组成元素，并组织齿轮簇以实现多种功能。该设计能够实现连续可调的弹性，同时保持稳定性和强大的机动性，即使在重负荷下。这种基于齿轮的超材料能够实现优异的性能，例如将杨氏模量连续调节两个数量级，在超软和固态之间变形，以及快速响应。这允许超材料定制，并使完全可编程的材料和自适应机器人触手可及。

相关研究工作以“Programmable gear-based mechanical metamaterials”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。值得一提的是，在众多的形状中，作者最终选择以中国太极图为灵感的形状，性能最佳！

太极是中国道家文化史上的一个重要概念、范畴，初见于《庄子》：“大道，在太极之上而不为高；在六极之下而不为深；先天地而不为久；长于上古而不为老”。后见于《易传》：“易有太极，是生两仪。两仪生四象，四象生八卦。这项成果堪称中华文化和材料的完美结合！

方鑫，博士，副研究员，现任职于国防科技大学智能科学学院。2012年本科毕业于北京航空航天大学，2018年获得国防科技大学博士学位（法国玛丽居里大学联合培养），德国卡尔斯鲁厄理工大学访问学者。主要研究方向为非线性超材料、智能材料与结构，负责省部级以上课题5项。已以第一作者在Nature Communications、PRB、PRApplied等期刊发表SCI论文13篇、申请国家发明专利8项、做国际大会邀请报告4次。获机械工程学会优秀博士学位论文奖、全军优秀博士学位论文奖、2019年湖南省自然科学一等奖（3），入选“香江学者”计划和科技委“青年托举”计划。（下图为方鑫博士（左）与温激鸿研究员(右)在讨论实验）

三、图文速递

图1. 机械超材料的设计概念

图2. 基于太极齿轮的机械超材料

克服这些挑战需要前所未有的设计范式。首先，可调性可以通过组装具有内置刚度梯度的元件来实现。第二，元件之间的耦合必须符合大变形。实现可调谐但坚固的固体需要确保在大的力下的可调谐性和稳健的可控性，同时避免调谐中的塑性变形。我们发现这种易变而强的耦合可以通过齿轮组来实现。由于可靠的齿轮啮合(啮合),齿轮提供了平稳传递旋转和重压缩载荷的理想机制。刚度梯度可内置于单个齿轮体中，或通过分级齿轮组件实现。齿轮组可以组装成流形，并且可以像元细胞一样周期性排列形成超材料(图1c)。所提出的设计概念非常通用，因为齿轮总成有多种结构。奇特的功能和灵活的可调性可以从齿轮类型的多样性、内置的可变性和集群组织中产生。作者用不同的齿轮组创建了几个超材料原型来演示这一点。

第一个原型是使用紧密耦合的周期性齿轮和两个网格框架(前后)来安排齿轮成一个简单的二次型模式(图2a)。平面齿轮包含空心部分。外侧形成两个弹性臂，弹性臂的径向厚度随旋转角θ平稳变化(图2b)。在压缩载荷作用下，弹性臂的变形以弯曲为主(图2c)。可调谐性取决于内置空心部分的形状。在众多的选择中，以中国太极图(图2b)为灵感的形状，具有螺旋方向的特点，可以实现平滑的变化和极性。两个局部坐标的夹角差为β(图2g)。在任何两个啮合的齿轮中，自旋旋转是相反的。此外，太极纹样在正反面的螺旋方向是相反的。因此，一对齿轮的啮合方式具有两极性。

图3. 由行星齿轮系统组成的超材料

图4. 剪切作用下的强或超软超材料

图5. 活性机械超材料的特性

作者证明了基于齿轮的机械超材料在保持稳定性、强度和高承载能力的同时提供了原位可调性。可编程性是健壮的并且容易实现。齿轮组提供了广阔的设计空间，允许超材料的可定制性能。除了演示的杨氏模量、形状变形和冲击保护，可调谐性可以扩展到其他弹性属性，如剪切模量、泊松比、强度、变形模式甚至阻尼系数。人们还可以通过使用锥齿轮、将平面齿轮组装成如图3所示的分级结构或合成不同类型的齿轮来设想3D超材料。集成制造融合了这些可调特性，生产出坚固耐用的多用途设备。以微型超材料为例，通过高分辨率和大规模3D打印，齿轮型超材料的进一步小型化和扩展是可能的。

四、结论与展望

这项工作提出并证明了一个非常规的设计范式，可编程动态超材料通过可变的，但强大的耦合和齿轮的内置可变性。作者建立一般概念，构思原型，进行力学分析，展示宏观和微观尺度上的柔性可调性和集成制造，并展示广泛的潜在应用。所提出的设计范式拓宽了设计完全可编程材料的视野，从而为其实际应用的探索提供了动力。

简单介绍一下，中国人民解放军国防科技大学（国防科技大学），创建于1953年，坐落于湖南省长沙市，是由中国共产党中央军事委员会直属，位列第一个五年计划“国家156项重点建设工程”“211工程”“985工程”、国家“双一流”建设高校、军队“2110工程”高校。前身是1953年创建于哈尔滨的中国人民解放军军事工程学院，即著名的“哈军工”，陈赓大将任首任院长兼政治委员。军事工程学院创建时，毛泽东主席亲自为学院颁发《训词》，为院刊题写刊名“工学”。

五、文献

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01269-3

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