會“聽話”的超材料可軟可硬可變形

記者9月12日從國防科技大學獲悉，該校智能科學學院振動與噪聲控制研究團隊提出一種原創性的智能可編程機械/力學超材料設計方法，實現了金屬基材料剛度和形狀的大范圍、連續、快速調節，具有重要的科學意義和工程應用價值。

近期，上述成果發表在《自然材料》（Nature Materials）上。該成果被選為《自然材料》今年8月的封面，被《自然》評為今年6月全球重要科技進展之一（全球共4項），并給與“hightlight”報道。上述團隊副研究員方鑫為論文第一作者兼共同通訊作者。國防科技大學和德國卡爾斯魯厄理工學院為通訊單位。

機械性能調節可通過齒輪簇實現

近年來，智能材料廣受關注，它是智能裝備與結構設計的基礎。材料彈性的調節對于智能機器、機器人、飛機和其他系統非常必要。然而，常規材料一旦制備，特性就幾乎不能改變，部分材料在高溫相變時才能呈現一定的調節性，不具有工程實際可操作性。

“機械/力學超材料是具有超出常規材料力學性能的結構功能材料，為高性能裝備設計提供了前沿技術支撐，但傳統超材料設計方法依然無法實現穩定連續的參數控制，需要顛覆性設計思維才能突破該瓶頸。”上述團隊帶頭人、論文共同通訊作者溫激鴻表示。

“限制力學超材料實現智能化調節的根本原因在于傳統超材料的設計都遵循同一種模式，即將梁、桿、板等單功能的承載基元用固定或屈曲結點連接構成確定性拓撲結構，這種模式下，當受到應力、熱或電磁場的刺激時，超材料會因為屈曲或旋轉鉸鏈而發生重構，從而改變剛度。但與此同時會產生塑性變形、變化不連續，且調節過程十分困難。”方鑫說。

為解決這個難題，上述團隊提出了基于多功能動態基元和易變-牢固耦合模式的智能可編程機械/力學超材料設計范式，設計了系列基于齒輪的智能超材料，突破了宏觀與微觀、金屬基和復合材料基超材料的集成一體化制造和集成驅動技術，實現金屬基材料的大范圍、連續、快速調節。

通俗地說，該團隊設計了一個由齒輪制成的智能材料，它可以根據不同的“命令”，在齒輪旋轉時，使堅固的材料變得更堅硬、變軟或變形。

“這是一種前所未有的設計方法。”方鑫表示，可調性能夠通過組裝具有內置剛度梯度的元件來實現。要實現機械性能可調但堅固的固體，需要確保在大作用力下的可調性和強耦合（可靠連接），同時避免在調整時發生塑性變形。“我們發現，這種可變而又強的耦合可以通過齒輪簇實現。”

方鑫透露，除了嘗試以齒輪作為基元，團隊還嘗試過很多其他構型，比如廣泛關注的折紙構型、各類彈性屈曲構型、雙穩態/多穩態構型，但都無法實現他們想要的這種調控特性。

為什么是齒輪簇？“可靠的齒輪嚙合可以平穩地傳遞旋轉和沉重的壓縮載荷。”方鑫說，剛度梯度可以內置到單獨的齒輪體中，也可以通過分層齒輪組件實現。齒輪組可以組裝成單元組，但單元做恰當排列就可形成超材料。

從太極圖中獲取內部結構設計靈感

既然齒輪被確定為可被利用的元件，那它的內部結構該如何設計？

超材料的可調性取決于其內置中空部分的形狀。“想要實現可調但堅固的材料，需要確保在大作用力下的可調性和魯棒可控性，同時避免調諧中塑性變形。”方鑫表示，在眾多設計方案中，團隊從太極圖中獲取靈感，最終設計了形似太極圖的齒輪，其形狀以螺旋方向為特征，可以提供平滑的變化和極性。

“太極圖的靈感是從中國傳統文化中獲得的。當時我在用筆構思各種簡單、大氣又有用的形狀，腦子里突然閃現《易經》中‘兩儀生四象、四像生八卦’這句話，隨之就想起了太極圖。因為太極的核心思想就是‘變化’，而我們想要的材料特性也是‘變’”。方鑫說，“我們進而發現，引入太極理念后，就使我們設計的構型具有正極性和負極性，為我們提供了一個很好的設計維度。”

在此基礎上，該團隊使用緊密耦合的周期齒輪和兩個格子框架(前和后)將齒輪排列成簡單的圖案，外部形成兩個彈性臂，其徑向厚度隨旋轉角度θ平滑變化。在壓縮載荷作用下，臂部的變形以彎曲為主。

“任何兩個嚙合齒輪的自轉方向是相反的。正面和背面太極圖案的螺旋方向是相反的。因此，一對齒輪的嚙合模式有兩極。當圖案的螺旋方向相反時，極性為正，反之則具有負極性。”方鑫說。

為了驗證這一構想，團隊采用投影顯微立體光刻3D打印技術制作了5×6的太極齒輪組成的集成微型超材料。太極齒輪的直徑和齒厚分別為3.6毫米和235?微米，最粗的臂為75微米。樣品由楊氏模量為3.5 GPa的光敏樹脂制成。

“這種微型試件的等效模量Ey(θ)可以平滑地調整35倍(從8.3 MPa到295 MPa)。”方鑫說，這意味著即使是在微尺度上，基于齒輪的集成超材料也可以通過三維打印直接制造。這種集成制造的主要挑戰是確保嚙合齒不會融合在一起，但仍能有效地參與嚙合。

旋轉變速器行星齒輪即可“變身”

該團隊設計的第一種超材料僅在壓縮載荷下可調。“我們期望找到一種設計方法，使其壓縮模量和拉伸模量均可調，同時保持結構完整性。”方鑫介紹，團隊探索發現，這可以通過將行星齒輪系統組織為元胞來實現。團隊使用行星齒輪簇創建了一個層次分明的超材料，其可調性來自元胞內齒輪的相對旋轉。

“我們設計的行星齒輪超材料的變剛度來自于每個行星齒輪內部。齒輪環產生彈性彎曲變形，其內部的行星齒輪是齒環變形的支點，通過旋轉行星齒輪改變齒輪環的位置就可以改變它的變形剛度，從而可以實現對超材料參數的調節。”方鑫說，對于組裝的超材料，所有的太陽齒輪通過軸連接到傳遞轉動的齒輪上，這些傳動齒輪緊湊地耦合在一起。因此，只需要旋轉其中的幾個傳動齒輪就可以實現對所有元素的重新配置和調節。

“有趣的是，我們設計的超材料可在很大的壓縮力下保持穩定，并在剪切時顯示出較大的剛度。支撐穩定性的因素之一是一種齒輪組的自鎖機制，另一因素則是輪齒的咬合力。”方鑫表示。

該團隊提出了幾個場景來展示齒輪基超材料的廣泛應用潛力。“對于機器人，可調剛度腿/執行器能夠提供高剛度以在行走時穩定支撐重物，低剛度以在跳躍或跑步時提供減震保護。航空發動機掛架系統中需要類似的可調剛度隔離器，以在不同飛行階段保持最佳性能和效率。”溫激鴻表示。

“人們還可以通過使用錐齒輪、將平面齒輪組裝成分層結構或合成不同類型的齒輪來設想3D超材料，利用集成制造將這些可調特性連接起來，以生產堅固的多用途設備。以微型超材料為例，通過高分辨率和大規模的3D打印，基于齒輪的超材料的進一步小型化和延伸是可能的。” 方鑫說。

《自然》的審稿編輯認為，這種基于齒輪的力學超材料是使機器部件實現剛度可調的同時保持結構強穩定的可行途徑。比如使機器人的結構變軟或變硬來更好地適應跳躍和抓取物品等動作。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01269-3