Science Advances：具有非常规溶胀性质的软质力学超材料

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软质自适应材料是一类随着周围环境的变化，其形状、体积和性质也随之发生变化的材料，在组织工程、软体机器人、仿生传感器以及柔性显示等方面有着重要的应用。多数软材料在吸收水分时，展现出的是正溶胀的性质，即材料在吸水后膨胀。现阶段，如何实现具有各向异性性质的负溶胀超材料仍是一项挑战。

近日，清华大学张一慧课题组和北京理工大学方岱宁课题组合作，提出了一种基于平面点阵的异质材料组装设计。该设计基于复合梁的偏心原理，利用不同层材料吸水变形过程中膨胀变形的差异，实现网状材料整体的较大膨胀和收缩。研究人员通过展示网状材料的吸水变形和脱水回复的过程，验证了网状材料的变形可逆性，同时阐述了网状材料的变形机制以及控制原理。基于数值模拟和理论分析，提出了具有非常规溶胀行为的网状材料设计方法，并实现了网状材料溶胀变形的各向异性调控，展示了多种非常规溶胀行为的设计示例。此外，研究人员还发现新设计的网状材料具有独特的“J”型应力-应变曲线，即加载过程中当应变超过某一临界值，网状材料的弹性模量将急剧增加。通过控制吸水时间，可以精确控制网状材料的临界应变及弹性模量等力学特性，在可展开天线和软体机器人等方面有着重要的潜在应用。

研究人员首先研究了具有各向同性性质的网状材料的溶胀变形过程（图1（a）及（b））。当网状材料浸没于水中时，主动层（水凝胶层）吸水膨胀，利用偏心原理，直杆产生弯曲变形，网状结构变形为马蹄形形状，结构整体表现为收缩。当浸没时间达到45min时，马蹄形结构发生自接触，达到变形极限，此时溶胀线收缩率可达45%。然后将完全吸水的网状材料置于75oC的空气烤箱中，主动层（水凝胶层）发生脱水，网状材料逐渐恢复到初始状态。研究人员还发现通过控制吸水/脱水时间可以精确调节网状材料临界应变、弹性模量等力学特性（图1（c））。

图1：A图为网状材料吸水和脱水过程中的构型演变。B图为溶胀应变随时间演变的曲线图。C图为不同吸水/脱水状态下的应力-应变曲线。比例尺为40毫米。

图2介绍了一种吸水过程中先膨胀后收缩的独特网状材料设计。网状材料吸水发生膨胀变形，促使具有初始曲率的曲杆逐渐变直，直到马蹄形结构达到直杆状态，网状材料整体膨胀。继续吸水，微结构发生反向变形，直杆产生弯曲变形，网状材料重新变形成为马蹄形结构，网状结构整体收缩。随着吸水时间增加，网状材料将呈现出先膨胀后收缩的特性。

图2：先膨胀后收缩的软质网状材料设计，其中上图和下图分别为模拟结果和实验结果。比例尺为40毫米。

相比于之前的研究成果，研究人员提出的新型网状设计不仅能够实现较大的结构溶胀变形，同时还具有独特的溶胀各向异性性质（图3和图4）。通过调整主动层（水凝胶层）的铺设位置，可实现新型网状材料的各向异性特性。通过将主动层（水凝胶层）部分铺设在斜向直杆，而竖直方向直杆不进行铺设，可实现网状材料溶胀过程中X方向收缩，而Y方向变形为零（图3(A)及(B)）。通过将主动层（水凝胶层）仅铺设与水平直杆方向，而斜向直杆不铺设，则网状材料呈现出X方向收缩、Y方向膨胀的溶胀特性（图3(C)及(D)）。

图3：A图及B图为X方向收缩、Y方向变形为零的超材料溶胀应变随溶胀系数变化曲线图及实验结果图。C图及D图为X方向收缩、Y方向膨胀的超材料溶胀应变随溶胀系数变化曲线图及实验结果图。比例尺为40毫米。

图4：各向同性及异性的大溶胀行为设计。图中红线表示文章中展示的溶胀行为。

论文以Soft mechanicalmetamaterials with unusual swelling behavior and tunable stress-strain curves为题，6月8日发表于Science Advances。清华大学张一慧副教授和北京理工大学方岱宁教授为本文的共同通讯作者。清华大学航院博士生张航为本文的第一作者。合作者包括清华大学航院博士后郭晓岗和本科生邬军。该研究成果得到了国家自然科学基金项目、中组部青年千人计划项目和清华信息科学与技术国家实验室的支持。

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