进展 | 多步可编程转换的可展开力学超构材料

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可编程材料可以改变其内部结构用于驱动，应用于机器人和生物医学设备。这得益于工程材料的微结构，可以编码形状重构和拓扑保护，以驱动高强度密度比和不寻常的力学行为（如负泊松比）。目前，基于大尺度折叠的单一转化材料在工程领域广泛应用，包括可展开结构，如折叠桌、血管支架、柔性电子器件和航天器太阳能电池板。许多受折纸启发的可展开超构材料，例如Miura和Kresling折叠模式，从折叠和变形面中衍生出复杂且可控的运动学。基于剪纸的超构材料可以从2D薄片重构为3D目标形状。已经开发出利用力学不稳定性、膨胀、电磁驱动和热膨胀的力学超构材料。通过合理的结构几何设计或组合设计，也可以获得多模态转换材料。此外，可以通过施加不同的驱动和激励来实现具有多重变换的变形，如磁驱动、气动驱动、热驱动和机械驱动。然而，这些系统通常限于在制造过程中必须锁定的单一转换模式，或者需要复杂的驱动或控制模式切换，如耦合旋转和拉伸。大多数材料系统无法通过编程实现基于单一输入的多模态振型转换。

近日，清华大学陈常青教授团队开发了一种多模式和可重新编程的材料系统。受到具有周期性空间填充镶嵌的3D多面体折纸的启发，其中初始3D架构可以重构为多种3D模式，并且可以通过模块化剪纸超构材料转换为多种构型。然而，这些超构材料的变形形状缺乏结构稳定性。相反，需要一个双稳态自折叠（BSF）单元。为了满足对能够在高维变形空间中进行多步转换以及可编程、可逆和稳定重构的超构材料的需求，团队开发了一种基于BSF单元的基于剪纸的设计框架，并将其应用于构建超构材料。最初，以1D或2D平面结构的形式，这些超构材料可以被编程为顺序自折叠以产生多种转换模式。通过温度响应组件，超构材料是可逆的，并且能够通过模式分叉重新编程。通过构建多步、多模态超构材料来展示该框架。

相关研究发表在《Science Advances》上。（徐锐）


文章链接：

Z. Meng, M. Liu, H. Yan, et al. Deployable mechanical metamaterials with multistep programmable transformation[J]. Science Advances, 2022, 8: eabn5460.


DOI: 10.1126/sciadv.abn5460

来源：两江科技评论微信公众号（ID：imeta-center），作者：九乡河。