智能可編程機械/力學超材料設計新方法！可自由變換軟硬
【化工儀器網 項目成果】智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料，是現代高技術新材料發展的重要方向之一，將支撐未來高技術的發展，使傳統意義下的功能材料和結構材料之間的界線逐漸消失，實現結構功能化、功能多樣化。智能材料是智能裝備與結構設計的基礎。
其中，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。
國防科技大學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，他們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。通俗來說，該研究團隊設計出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。
超材料的可調性取決于其內置中空部分的形狀。想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。研究團隊發現，這種可變而又強的耦合可以通過齒輪簇實現，可靠的齒輪嚙合可以平穩地傳遞旋轉和沉重的壓縮載荷，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，單元組恰當排列就可形成超材料。
研究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。經驗證，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)。其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。
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。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。研究團隊所涉及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。
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，有著廣泛的應用潛能。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。并且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。
(資料來源：中國科學報)
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