超快速可重構力學超材料誕生,變形金剛要走進生活了？

在電影里，我們經常看見變形金剛可以從一輛車或一架飛機，搖身一變成為人形機器人。類似的，未來的飛機和智能機器人，為了適應不同的任務和環境，也需要變化外形或者轉換性能。那么想要實現這個目標，我們在材料方面還需要走一大步，但如今我們已經一步步靠近這個目標了，尤其是超快可重構力學超材料的誕生，讓變形金剛出現在現實世界不再是幻想。

北航團隊研究出超快可重構力學超材料，有望用于變體飛行器等領域

北京航空航天大學潘飛副教授和所在團隊，專門研究可用于航空航天、智能裝備等領域的材料和結構。近年來，他們瞄準形狀可變、性能可調的新型材料和結構，嘗試從力學研究者的角度，提出一些潛在可行的解決方案。

為何選擇力學超材料為研究中切入點？

所謂力學超材料，是指通過人為設計材料的微結構（或曰基本單元），來實現一些天然材料無法實現的新奇特性，例如一壓就扭的“壓扭超材料”。更為關鍵的是，通過對基本單元的力學設計，能在完成材料加工之后，對性能進行定制化的調節。

為了實現材料形狀和性能的調節，潘飛所在團隊主要關注的是以雙穩態結構為代表的基本單元。

事實上，生活中有很多這樣的雙穩態結構，比如發卡、開關、自行車腳架等等。這種單元通常擁有兩個穩定的狀態，對應著兩個不同的形狀或性能。對于這兩個穩態來說，無需持續能量輸入它們就能自動維持在某一種狀態，并能在一定的外部激勵下，反復進行相互切換。由此可見這是一種典型的低功耗方案，只在調節形狀和性能的時候耗能，而維持所需的狀態時不耗能。

利用這些雙穩態結構，潘飛等人致力于讓力學超材料的形狀和性能，能夠做到變化大、變化多、變化準、變化快。“變化大”，即不同狀態的形狀或性能有足夠大的差異，“變化多”，即需要一個極大的可調節空間，“變化準”是在面對任意目標時都得能夠進行精準調節，能夠“指哪打哪”，“變化快”就是調節的速度必須要快。

超快可重構力學超材料的誕生

在最近一項研究工作中，針對“變化大”和“變化快”的問題，該課題組取得了一定進展，即讓材料在兩個形狀差異較大的狀態之間進行切換，并實現了較快的切換速度。

具體來說，他們設計出了一種超快可重構的力學超材料，其中二維和三維的超材料，能分別達到 25.38 倍面積/秒，以及 101.14 倍體積/秒的變化率。利用奇異大變形的雙穩態單元，該團隊實現了超材料形狀的快速重構，為超材料變形速度的提高提供了新思路。預計在快速變形機器人、變體飛行器等領域，上述材料具備一定的潛在應用前景。

不過潘飛坦言“如果要用到具體的場景上，還有一些問題需要解決，比如如何實現自動快速的展開，只有這樣才能實現真正的‘想怎么變就怎么變’。”

日前，相關論文以《基于預應力雙穩態殼的超快形狀可重構手性力學超材料》（Ultrafast Shape-Reconfigurable Chiral Mechanical Metamaterial based on Prestressed Bistable Shells）為題發在 Advanced Functional Materials 上 [1]，博士生劉易哲是第一作者，潘飛和北航陳玉麗教授擔任共同通訊作者。

頂刊論文竟是從童年玩具“拍拍手環”得來！

本次工作的立項來源可謂十分偶然，它受到了一款童年玩具“拍拍手環”的啟發。

潘飛說在一次在逛玩具店的時候，意外發現了這種玩具。它具有兩個穩定的形狀，一個是平坦展開的形狀，一個是卷成一個圈的形狀，這正是一個典型的雙穩態結構。“啪”地一聲，它就能以極快的速度從平坦狀態卷在手腕上。這么快的響應速度和這么大的變形幅度，讓潘飛覺得很有研究價值。

回到課題組，他便帶著師弟開始琢磨：這么簡單的玩具是如何實現雙穩態和快速切換的？它的這些特點是否能幫助他們解決超材料“變化大”和“變化快”的問題？

于是，他們從網上買來一些拍拍手環，把它們剪開之后，發現里面有一段從鋼圈尺上截下來的金屬片，甚至連鋼圈尺上的刻度都還在。但是鋼圈尺是沒有雙穩態的。按照所找資料的介紹，只需要把鋼卷尺沿著兩個方向使勁彎一彎，就可以變成拍拍手環。

接下來，仔細閱讀文獻，他們弄清楚了金屬片雙穩態的來源。從學術角度來講，拍拍手環應該叫預應力金屬殼，更嚴謹地講應該叫非歐幾里得殼。

簡單來說，正是由于“使勁彎一彎”引起的塑性變形，導致鋼圈尺里留下了一定的殘余應力，從而改變了內部的應力平衡，讓其在不受外部約束和載荷的情況下，仍然具有兩個平衡穩定構型。

而以上過程，只能算是研究團隊和跟本次課題的“初次見面”。歷時許久，直到超材料構型確定下來，才算課題真正確定下來。

研究過程并不一帆風順

一般的結構構筑方式，并不適用于這種結構。以彈簧等其他軸向伸長縮短的基本單元為例，利用井字格排列等簡單方法就能把超材料構造出來。

但是，拍拍手環的不同之處在于，它是從一個長片卷起來的。卷起來的過程中，它自己和自己還會有接觸，只有這樣才能確保它的一頭會被包在卷內部。

如何解決構造的問題，讓這個課題一直停滯不前。后來， 潘飛在另一個課題里做手性蜂窩結構的時候，偶然發現了一種有效的構筑方式。

他說：“我發現拍拍手環的這種卷起來的變形，居然跟手性蜂窩是協調的！只需要在收縮的時候，讓它們都卷在手性蜂窩的圓柱形中心上就行。”

這一轉折點過后，課題很快得以立項。隨后，他們結合手性蜂窩和預應力殼，設計出一系列的二維和三維超材料，讓初步概念和思路得以形成。

結合實驗觀察和有限元仿真，課題組建立了預應力殼收縮的動力學模型，從而實現收縮速度的有效計算，也讓他們可以更方便地進行參數研究，進而指導加工工藝的進行。

之后，又對預應力殼和超材料的靜力學和動力學特征進行實驗性描述，并完成了演示樣品的制作以及應用 demo 的展示。

其他關于重構力學超材料的研究

1、4D制備可重構的拉脹力學超材料

2023年2月，打印哈爾濱工業大學冷勁松院士課題組在《Matter》上發表題為“4D Printed Programmable Soft Network with Fractal Design and Adjustable Hydrophobic Performance”的文章。

研究團隊首先受分形幾何概念啟發，將含多級微結構的彎曲韌帶引入超材料中并結合4D打印技術，制備了具有力學性能（非線性應力-應變行為、泊松比）可調節、可編程和可重構的拉脹力學超材料。

超材料的微結構由兩條相同圓弧狀組成，具備旋轉對稱特性，含二級結

構的微韌帶是通過將2n（n=1, 2, 4, 6）個一級結構等比縮小并按照一級結構幾何形狀首尾相連構成。三級微韌帶以同樣的構造原理構造。最終，將具有多級微結構的微韌帶組裝成手性超材料單元。通過建立幾何參數（ω/l, n, N, t/l,和θ）與宏觀力學性能之間的關系，揭示了超材料非線性力學行為的機理，實現了通過幾何參數對超材料非線性力學行為的調控和超材料力學行為的重編程和可重構性。

隨后，研究團隊將受荷葉表面超疏水微結構啟發的含柱狀微結構表面的電極膜與4D打印分形超材料骨架，集成為多層結構的柔性形狀記憶可重構電容式壓力傳感器（如圖2所示）。其具備力學性能和電學性能可重構性的同時實現了高靈敏度以及對檢測位點的高順應性。經實驗證實，相比平面電極其信噪比(SNR)和靈敏度(S)分別實現了≈10倍和≈4倍的提升（如圖3所示）。突破了柔性傳感器性能在制造后不能隨環境變化或功能需求調節的局限。為適應被檢測組織、皮膚和器官的力學性能的多樣性需求，提供了解決方案，在植入式醫療設備、可穿戴電子設備、人機交互、軟機器人等領域有良好的科研價值和廣闊的應用前景。

2、國外對可重構超材料的研究

2020年12月，美國陸軍和麻省理工學院（MIT）研究出一種連接超材料的新方法，能夠制造可重構結構。該方法由美國陸軍和麻省理工學院比特與原子研究中心的科學家共同開發，使用類似于樂高的離散晶格系統連接具有獨特力學性能的材料，開發具有可重構能力的結構。

該結構具有強適應性、可重構性和彈性，采用經濟高效的注塑成型工藝和網格連接方式來快速組裝宏觀結構，使用的材料包括剛性材料、柔順性材料、膨脹性材料和手性材料等類型。

該技術為制造可重構機器人開辟了可能性。例如，一群機器人通過連接重組，形成橋梁，以便部隊過河，這將大幅提高部隊和裝備的軍事機動性和生存能力。

研究團隊還將探索將增材制造用于該結構制造的可行性。