2021-05-10
 
可變形材料的工具包:如何設計具有可重新編程形狀和功能的材料
2021年05月10日  

超材料-其功能由結構而不是組成決定的材料-設計用于彎曲聲音和聲音,從軟到硬轉變,甚至衰減地震中的地震波。


但是這些功能中的每一個都需要獨特的機械結構,這使得這些材料非常適合特定任務,但難以廣泛實施。


但是,如果一種材料可以在其結構中包含多種功能,并且可以輕松地在它們之間自動切換,該怎么辦?


哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)和Wyss生物啟發工程學院的研究人員已經開發出了一種通用框架,用于設計可重構超材料中國建材網cnprofit.com。


該設計策略是與規模無關的,這意味著它可以應用于從米級架構到可重配置的納米級系統(例如光子晶體,波導和超材料)的所有材料,以引導熱量。


這項研究發表在《自然》上。


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SEAS的自然科學副教授,John L. Loeb的Katia Bertoldi說:“就可重構超材料而言,設計空間非常大,因此面臨的挑戰是提出明智的策略來對其進行探索?!奔??!巴ㄟ^與設計師和數學家的合作,我們找到了一種概括這些規則并快速生成許多有趣設計的方法?!?/p>


Bertoldi和該論文的第一作者前研究生Johannes Overvelde與哈佛設計研究生院(GSD)的查克·霍伯曼(Chuck Hoberman)以及威斯(Wyss)的副教授以及威斯(Wyss)的高級研究員James Weaver合作,設計超材料。


這項研究始于2014年,當時霍伯曼向貝托迪(Bertoldi)展示了他對一系列可折疊結構的原始設計,包括一個擠壓立方體的原型。


貝托爾迪說:“我們驚訝于它折疊起來和改變形狀的容易程度?!拔覀円庾R到這些簡單的幾何形狀可以用作構建新的可重構超材料類的基礎,但是我們花了很長時間才找到一種可靠的設計策略來實現這一目標?!?/p>


跨學科團隊意識到,多面體的裝配體可以用作模板來設計可擠壓的可重構薄壁結構,從而極大地簡化了設計過程。


“通過結合設計和計算模型,我們能夠識別各種不同的重排,并為將來構建這些材料創建藍圖或DNA,” FOM研究所軟機器人研究小組現科學組負責人Overvelde說。在荷蘭的AMOLF。


相同的計算模型也可以用于量化材料彎曲的所有不同方式,以及如何影響有效的材料特性(如剛度)。這樣,他們可以快速掃描接近一百萬種不同的設計,并選擇具有首選響應的設計。


一旦選擇了特定的設計,該團隊便使用激光切割的硬紙板和雙面膠帶以及多材料3D打印技術為每種3D超材料構建了工作原型。像折紙一樣,可以將生成的結構沿其邊緣折疊以更改形狀。


“現在,我們已經解決了使設計形式化的問題,我們可以開始考慮以較小的規模制造和重新配置這些超材料的新方法,例如通過開發3D打印的自驅動環保型原型?!?韋弗說。


這種形式化的設計框架對于結構和航空航天工程師,材料科學家,物理學家,機器人工程師,生物醫學工程師,設計師和建筑師而言可能是有用的。


霍伯曼說:“這個框架就像構建可重構材料的工具包一樣?!?“這些構建基塊和設計空間非常豐富,我們才剛剛開始探索可以用它們構建的所有東西?!?/p>


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