比翱工程实验室丨可重构毫米级超材料的制造策略

超材料可以利用几何形状来实现感兴趣的特定属性，而不是依赖于材料成分来决定性能指标。例如，可重构超材料实现了可编程形状变换、可调机械性能和能量吸收。虽然存在多种制造这种结构的方法，但它们通常对制造材料有严格的限制，或者需要大量的手动组装。此外，这些阵列通常由尺寸为宏观尺度或微观尺度的单元组成。在这里，制造差距被弥合，层压制造用于开发一种在毫米级设计可重构超材料的方法，该方法与各种材料兼容，并且只需少量的手动组装。除了显示这种制造方法的多功能性外，还描述了层压制造的使用如何影响这些多组件阵列的行为。为此，开发了一个捕捉结构变形的数值模型，并建立了一个预测结构在压缩应力下应变的分析模型。总的来说，这种方法可用于开发毫米级超材料，用于需要可重构材料的应用，例如可调谐声学、光子波导和电磁器件的设计。

除了基于其组件化学成分的固有特性外，超材料还从其通常精心设计的物理结构中获得材料特性。这些复杂的几何形状可以设计为实现在非晶或结晶材料中被认为无法实现的机械性能，例如负压缩性[1, 2]、负热膨胀[2, 3]、零剪切模量[4,5]和负泊松比[6, 7]。除了采用结构直接影响机械性能外，近年来还看到了多功能超材料的发展，其中材料的行为是通过其内部结构的几何重构来决定的。这些设计允许可变的几何形态，每个形态都能够通过改变晶胞的方向来展现独特的特性，应用范围从微波吸收器[8, 9]到声学[10, 11]和光学[12, 13]。

为了设计可重构超材料，研究人员经常从折纸原理中汲取灵感，用一组周期性的连接来描述材料的结构。这些结构的刚度通常是高度各向异性的，其中低刚度表示一种内部折叠模式，超材料的结构可沿该模式重新配置，高刚度方向可用于承受施加的载荷。重要的是，由于折叠褶皱处的应力和变形，折叠的使用对内部构造和使用的材料造成了重大限制。例如，实现这种变形需要使用材料厚度的巨大差异，或者使用具有不同弹性模量的材料，或者两者兼而有之。

尽管存在许多受折纸启发的可重构超材料，包括基于Miura-ori图案[14-16]、立方晶格[17]、hypar模式[18]、Sarrus链接[19,20]和其他折纸模式的超材料[21，22]，它们中的大多数材料尚未达到所需的特定应用长度，或者无法使用多种材料制造。为了便于比较，表1中列出了不同超材料几何形状、制造方法、组成材料和特征长度标度的概述。而各种制造技术，如3D打印[23,24]、铸造[6,25,26]和激光切割[17，27-30]，可用于在宏观尺度（单位细胞>1 cm）生产这些可折叠超材料，其中大多数技术需要手动组装超材料的子组件，这项任务变得越来越复杂，并且随着组件数量的增加，很快变得难以处理。相比之下，更自动化和高度并行的制造技术，如双光子光刻（TPL）[15,31,32]、直接激光写入（DLW）光刻术[33,34]、自传播聚合物波导（SPPW）[35]和投影显微立体光刻技术（PμSL）[36]可用于在微米和亚微米尺度上制造超材料（单位晶胞小于1mm）。虽然在这种规模下可以完全避免手动装配，但也会出现其他缺点。例如，这些技术使用的材料种类非常有限，并且由于它们依赖于可交联树脂的光聚合，因此不允许生产多材料结构。

表1：使用不同方法和材料制造的超材料，从宏观尺度到微观尺度

为了克服这些限制并弥合宏观和微观超材料之间的差距（即开发毫米级超材料），需要制定新的制造策略。如果实现，这些毫米级可重构超材料可用于医疗设备[22]、末端执行器[37] 和功能结构（例如手柄、扳手和钳子[38]）的设计。为了满足这些需求，我们采用了层压板制造技术，通常用于生产印刷电路微机电系统 (PC-MEMS)[39]和智能复合微结构(SCM)[29, 40]。以前，这些技术已成功用于设计和制造复杂的铰接3D机构[41-43]，因此，对于可重构超材料的设计具有几个关键优势。例如，由此产生的机构从平面结构开始，并且可以折叠回平面结构。此外，这些结构的制造需要最少的手动组装，在某些情况下，组装过程可以完全自动化，以提高对准和精度[43]。层压板制造过程还接受多种材料，包括玻璃纤维、碳纤维以及各种金属和聚合物，因为唯一的限制是粘合过程中施加的温度和压力[40]。最后，使用基于层压的制造工艺还提供了额外的优势，例如可扩展性，尺寸参数可以很容易地针对微观到宏观尺度的应用进行调整[44]。

研究创新：使用层压板技术制造了一种可折叠的毫米级超材料，弥合了宏观和微观几何结构之间的差距。研究团队通过展示使用层压板进行超材料制造的优势，并开发了多种模型来帮助设计连杆阵列并预测其性能特征及行为。

在本研究中，使用了四边Sarrus连杆（图 1）作为超材料的单元，因为其简单的单自由度 (DOF)运动学和分层结构使其非常适合使用层压板制造[43] 然而，重要的是要注意，可以使用各种不同的单元，包括其他单自由度连杆（例如，n侧Sarrus、剪刀连杆、四杆等），以及更复杂的多自由度连杆（例如，球形五杆或六杆甚至三角机器人[45]）。在这里，四边Sarrus连杆使我们能够专注于我们工作的核心贡献：1)开发一种方法，以最少的手动组装从各种制造材料中制造大量移动组件，以及2)表征层压超材料的行为，与基于理想连杆机构的系统运动学进行了比较。

图文快览

图1: Sarrus 联动阵列设计。A) 理想的四边 Sarrus 连杆。 B) 单个制造的 Sarrus 连杆单元。C) 3 × 3 Sarrus连接阵列。

图2: 超材料阵列制造。A) 阵列是使用层压制造技术制造的。B) 具有单个晶胞的单层阵列和多晶胞阵列。C) 使用相同数量的单元格并改变单元格尺寸来改变阵列尺寸。D) 演示如何对数组进行分层。E) 具有≈1000个铰链的不同形状结构的示例。F) 可以使用基本单元和基本单元的变体创建的不同结构几何形状的示例。 G) 用FR4、钢和CF刚性层演示阵列制造。

图3: 基于Sarrus连杆的超材料分析。A) 具有N_s,x = 5、N_s,y = 5和N_s,z = 3的制造阵列。该阵列沿 B) 压缩和 C) 弯曲模式的变形。D) 具有N_s,x= 2、N_s,y = 2和N_s,z = 2的相同超材料模型。两种模式的运动。E) 将特定角度分配给θt和θb时，该阵列的弹性能量。F) 能量和 G) 具有不同单元和层的阵列在弯曲模式的极端处的结构曲率。

图4: 超材料阵列表征。A) 侧面压缩下的失效测试。B) 无切口(Lc = 0)的单层、双层和三层Sarrus阵列的弹性循环测试。C) L c = 0.5 L 2和L c = 0.66 L 2的双层和三层Sarrus阵列的弹性循环测试。

图5: 铰链特性实验表征。A) 标有四个设计参数的铰链顶视图和侧视图示意图。B) 不同切口宽度L c对25μm（顶部）和12.5μm（底部）厚铰链的铰链刚度的影响。C) Hookean和Zener最佳拟合模型与所有测试铰链的归一化应力- 应变曲线一起绘制。

图6: 压缩模式的分析模型。A）L c=0的单层、双层和三层Sarrus阵列弹性循环试验的小变形。B）L c=0.5L2和L c=0.66L2的双层和三层Sarrus阵列弹性循环试验的小变形。

结论

本文中，研究团队使用层压板技术制造了一种可折叠的毫米级超材料，弥合了宏观和微观几何结构之间的差距。这种设计和制造过程的主要优势在于它能够利用广泛的制造材料，以及能够以最少的手动组装设计复杂的阵列，即⩾1000个铰链阵列。研究团队通过制造基于四边Sarrus连杆的超材料证明了这种方法的实用性，然后探索了所得阵列的行为。与运动学模型预测的行为相反，研究团队通过实验发现了两种变形模式：压缩和弯曲。然后建立了一个数值模型来表明弯曲模式取决于铰链的离轴变形，并且随着超材料尺寸的增加，它变成了局部模式。因此，研究团队专注于定量表征取决于铰链弯曲的压缩模式，其行为可以通过铰链设计进行控制。为了更好地理解这种模式，研究团队建立了两个铰链弯曲模型，将胡克模量和粘弹性模量预测为几何形状的函数。团队发现Hookean模型是小变形的良好近似，可用于预测超材料沿压缩模式的模量。总体而言，研究团队展示了使用层压板制造进行超材料制造的优势，并开发了多种模型来帮助设计连杆阵列并预测其行为。

虽然选择了四边Sarrus连杆是因为它的简单性和可扩展性，但制造方法允许使用刚性面和可弯曲铰链来描述更复杂的结构。例如，也可以使用交替的单元格。图7显示了一个使用三边和六边Sarrus连杆的简单扩展。这些替代几何结构仍然表现出与四边连杆阵列相同的弯曲模式，因为基础机构表现出相同的变形。虽然也可以在同一阵列中使用异质单元，但仔细分析铰链的离轴变形如何通过结构传播是很重要的。

图7: 替代Sarrus连杆阵列几何结构。替代阵列几何结构的示例包括使用三边或六边Sarrus链接。尽管改变了几何形状，但这些结构仍然显示出与四边Sarrus连杆阵列相同的弯曲模式。

参考文献

原文来源：Advanced Functional Materials. 2021.2103428，A Fabrication Strategy for Reconfigurable Millimeter-Scale Metamaterials，https://doi.org/10.1002/adfm.202103428

原文作者：Hayley D. McClintock, Neel Doshi, Agustin Iniguez-Rabago, James C.Weaver, Noah T. Jafferis, Kaushik Jayaram, Robert J. Wood, Johannes T. B.Overvelde

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