比翱观察丨无限可能的变形材料：异形结构材料可以实现任何形状

哈佛大学John A.Paulson工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员已经开发出一种变形材料，可以改变并保持任何可能的形状，为一种新型多功能材料铺平了道路，该材料可用于从机器人技术、生物技术到建筑等一系列应用领域。

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。Lola England de Valpine应用数学、组织和进化生物学以及物理学教授L.Mahadevan说：“今天的变形材料和结构只能在几个稳定的构型之间转换，但我们已经展示了如何创造具有任意形状变形能力的结构材料。这些结构允许对几何和力学进行独立控制，为使用新型可变形晶胞的工程功能形状奠定基础。”。

SEAS研究人员将这种材料称为“异形”，因为它能够变形为任何稳定的形状。研究人员将单个晶胞单元与自然稳定的关节连接起来，从单个异形晶胞构建2D和3D结构。

设计形状变形材料的最大挑战之一是平衡表面上相互矛盾的一致性和刚性需求。一致性允许转换到新的形状，但如果太一致，则无法稳定地保持形状。刚性有助于将材质锁定到位，但如果过于刚性，则无法呈现新的形状。研究小组从一个具有两个刚性元件、一个支柱和一个杠杆以及两个可拉伸弹性弹簧的中性稳定单元开始。如果你看过皮克斯电影的开头，你会看到一种中性稳定的材料。皮克斯灯头在任何位置都是稳定的，因为重力总是被以协调方式拉伸和压缩的弹簧抵消，而不管灯的配置如何。一般来说，中性稳定系统是刚性和弹性元件的组合，平衡晶胞的能量，使每个晶胞都保持中性稳定，这意味着它们可以在无限多个位置或方向之间转换，并在其中任何位置或方向上保持稳定。

在这个中性稳定的单元中，刚性和弹性元件的组合平衡了单元的能量，使其能够在无数个位置或方向之间转换，并在其中任何一个位置或方向上保持稳定。

“通过拥有一个中性稳定的晶胞，我们可以将材料的几何形状与其在个体和集体层面的机械响应分开，”SEAS的博士后研究员、该论文的共同第一作者Gaurav Chaudhary说。“单元的几何形状可以通过改变其整体尺寸和单个活动支柱的长度来改变，而其弹性响应可以通过改变结构内弹簧的刚度或支柱和连杆的长度来改变。”研究人员将这种组件称为“异形材料”，因为它们能够变形为任何稳定的形状。研究人员将单个单元晶胞与自然稳定的关节连接起来，从单个异形晶胞构建二维和三维结构。研究人员使用数学建模和现实世界的演示来展示材料的变形能力。该团队证明，一张异形晶胞单元可以向上弯曲，扭曲成螺旋状，变成两个不同面孔的形状，甚至可以承受重量。“我们表明，我们可以将这些单元组装成具有异质机械响应的任何形状的结构，”SEAS的博士后研究员、该论文的共同第一作者S. Ganga Prasath说。“由于这些材料以几何学为基础，它们可以按比例缩小以用作机器人或生物技术中的传感器，或者可以按比例放大以用于建筑规模。Mahadeva说：“总而言之，这些全变形为一类新的材料铺平了道路，这些材料的变形响应可以在多个尺度上进行控制。”文献：Gaurav Chaudhary、S. Ganga Prasath、Edward Soucy 和 L. Mahadevan 的“Totimorphic assemblies from neutrally stable units”，2021 年 10 月 19 日，美国国家科学院院刊。DOI：10.1073/pnas.2107003118


多孔材料与人工结构物理特性表征技术领先者

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