【环球聚看点】可重构力学超材料研发


【资料图】

在电影里，变形金刚可以从一辆车或一架飞机，摇身一变成为人形机器人。那么，它们为什么要变呢？
事实上，这不仅仅是为了伪装和炫酷，更重要的是为了执行不同的任务。
（来源：Pixabay）
比如想要快速移动时，就要变成车或者飞机；要想跟敌人打斗时，就得变成灵活机动的机器人。
类似的，未来的飞机和智能机器人，为了适应不同的任务和环境，也需要变化外形或者转换性能。
21 世纪初，美国航空航天局就曾构想过，未来的飞机可以像鸟一样，其机翼形状能够随飞行状态而变化，从而在任何场景下都能让飞行性能处于最优状态。
类似的需求场景还有很多。例如，对于未来的多功能机器人来说，人们希望它的身体既可以很柔软、又可以很刚硬，从而让它既能胜任照顾小孩老人的细活，又能担当爬楼搬砖的粗活。
北航团队研究出超快可重构力学超材料，有望用于变体飞行器等领域。
北京航空航天大学副教授和所在团队，专门研究可用于航空航天、智能装备等领域的材料和结构。近年来，他们瞄准形状可变、性能可调的新型材料和结构，尝试从力学研究者的角度，提出一些潜在可行的解决方案。
图 | 潘飞（来源：）
力学超材料，是在研究中的切入点。为何选择力学超材料？
所谓力学超材料，是指通过人为设计材料的微结构（或曰基本单元），来实现一些天然材料无法实现的新奇特性，例如一压就扭的“压扭超材料”。
更为关键的是，通过对基本单元的力学设计，能在完成材料加工之后，对性能进行定制化的调节。
为了实现材料形状和性能的调节，所在团队主要关注的是以双稳态结构为代表的基本单元。
事实上，生活中有很多这样的双稳态结构，比如发卡、开关、自行车脚架等等。这种单元通常拥有两个稳定的状态，对应着两个不同的形状或性能。
对于这两个稳态来说，无需持续能量输入它们就能自动维持在某一种状态，并能在一定的外部激励下，反复进行相互切换。由此可见这是一种典型的低功耗方案，只在调节形状和性能的时候耗能，而维持所需的状态时不耗能。
利用这些双稳态结构，等人致力于让力学超材料的形状和性能，能够做到变化大、变化多、变化准、变化快。
“变化大”，即不同状态的形状或性能有足够大的差异，“变化多”，即需要一个极大的可调节空间，“变化准”是在面对任意目标时都得能够进行精准调节，能够“指哪打哪”，“变化快”就是调节的速度必须要快。
在最近一项研究工作中，针对“变化大”和“变化快”的问题，该课题组取得了一定进展，即让材料在两个形状差异较大的状态之间进行切换，并实现了较快的切换速度。
具体来说， 他们设计出了一种超快可重构的力学超材料，其中二维和三维的超材料，能分别达到 25.38 倍面积/秒，以及 101.14 倍体积/秒的变化率。
（来源：Advanced Functional Materials）
利用奇异大变形的双稳态单元， 该团队实现了超材料形状的快速重构，为超材料变形速度的提高提供了新思路。
预计在快速变形机器人、变体飞行器等领域，上述材料具备一定的潜在应用前景。
不过坦言：“如果要用到具体的场景上，还有一些问题需要解决，比如如何实现自动快速的展开，只有这样才能实现真正的‘想怎么变就怎么变’。”
日前，相关论文以《基于预应力双稳态壳的超快形状可重构手性力学超材料》（）为题发在 Advanced Functional Materials 上 [1]，博士生刘易哲是第一作者，和北航教授担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）
童年玩具“啪啪圈”带来一篇顶刊论文
本次工作的立项来源可谓十分偶然，它受到了一款童年玩具“啪啪圈”的启发。
说：“有一次在逛玩具店的时候，我意外发现了这种玩具。它具有两个稳定的形状，一个是平坦展开的形状，一个是卷成一个圈的形状，这正是一个典型的双稳态结构。”
“啪”地一声，它就能以极快的速度从平坦状态卷在手腕上。这么快的响应速度和这么大的变形幅度，让觉得很有研究价值。
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（来源：Advanced Functional Materials）
回到课题组，他便带着师弟开始琢磨：这么简单的玩具是如何实现双稳态和快速切换的？它的这些特点是否能帮助他们解决超材料“变化大”和“变化快”的问题？
于是，他们从网上买来一些啪啪圈，把它们剪开之后，发现里面有一段从钢圈尺上截下来的金属片，甚至连钢圈尺上的刻度都还在。
但是钢圈尺是没有双稳态的。“这下我们更加好奇了，于是开始查找关于啪啪圈生产制造的资料，同时也查阅相关的文献。很快，我们就找到了一些论文，也找到了一个啪啪圈加工视频。”说。
按照这些资料的介绍，只需要把钢卷尺沿着两个方向使劲弯一弯，就可以变成啪啪圈。为了验证这一点，他们把当时实验室里唯一的一把钢卷尺剪了。
说：“文献和视频果然没有骗我们，而且生产啪啪圈和钢圈尺的厂商可能是同一家。”
接下来，他们仔细阅读文献，弄清楚了金属片双稳态的来源。从学术角度来讲，啪啪圈应该叫预应力金属壳，更严谨地讲应该叫非欧几里得壳。
简单来说，正是由于“使劲弯一弯”引起的塑性变形，导致钢圈尺里留下了一定的残余应力，从而改变了内部的应力平衡，让其在不受外部约束和载荷的情况下，仍然具有两个平衡稳定构型。
而以上过程，只能算是研究团队和跟本次课题的“初次见面”。历时许久，直到超材料构型确定下来，才算课题真正确定下来。
为什么间隔这么久才开始立项？主要是因为一般的结构构筑方式，并不适用于这种结构。
以弹簧等其他轴向伸长缩短的基本单元为例，利用井字格排列等简单方法就能把超材料构造出来。
但是，啪啪圈的不同之处在于，它是从一个长片卷起来的。卷起来的过程中，它自己和自己还会有接触，只有这样才能确保它的一头会被包在卷内部。
而如果按照常规的构造方式，根本不能把它们组合起来。就算在长片构型下强行组合起来，卷起来的时候也会“打架”，从而生成一种根本无法被协调的变形。
如何解决构造的问题，让这个课题一直停滞不前。后来， 在另一个课题里做手性蜂窝结构的时候，偶然发现了一种有效的构筑方式。
他说：“我发现啪啪圈的这种卷起来的变形，居然跟手性蜂窝是协调的！只需要在收缩的时候，让它们都卷在手性蜂窝的圆柱形中心上就行。”
这一转折点过后，课题 很快得以立项。随后， 他们结合手性蜂窝和预应力壳，设计出一系列的二维和三维超材料，让初步概念和思路得以形成。
（来源：Advanced Functional Materials）
在设计完成之后，他们并不确定所设计的超材料，能否实现预期功能。为了验证该设计概念，很快教研室里的一间小办公室变成了加工车间。给啪啪圈和亚克力柱打孔的电钻声响彻了整个屋子。
这两种东西都不是很好打孔，不是太硬就是太滑。说：“尽管第一个样本只有‘八个孔’，但是我们打了很久，可以说是特别的‘费师弟’。”
关键是，孔打好了还不一定能用，因为有可能拧不进去螺丝。就算把螺丝拧进去了，还非常容易松动。
“后来，我们终于完成了第一件‘千疮百孔’的样品。直到现在，我都依然记得师弟把样品拿过来的神情，就像是‘带丑媳妇见公婆’那种又高兴又嫌弃的样子。
其实就在那一刻，当一个构想真实地握在手里时，一种获得感油然而生。虽然这一版还很粗糙，但是当看到心心念念了这么久的构型终于实现了， 还 是非常欣喜的。”说。
组装出对应的结构之后，他们开始进行测试，结果证明这种设计思路是可行的。
接着，他们通过有限元仿真，对该结构的基本特征进行定性和定量分析，借此也加深了对于预应力壳和超快超材料的理解。
而在前人研究的基础上，他们 还想知道这种超材料速度变快的背后机理。
于是，结合实验观察和有限元仿真， 课题组建立了预应力壳收缩的动力学模型，从而实现收缩速度的有效计算，也让他们可以更方便地进行参数研究，进而指导加工工艺的进行。
之后，又对预应力壳和超材料的静力学和动力学特征进行实验性描述，并完成了演示样品的制作以及应用 demo 的展示。
（来源：Advanced Functional Materials）
从本科生到教师的 14 年北航人，已经集齐 5 张“一卡通”。
“除了这个工作以外，我们也曾利用从吸管和积木中获取的灵感，提出了‘三维像素力学超材料’，以及基于定制力学性能的‘修楼梯’可视化策略。”说。
都说“艺术源于生活”，科学又何尝不是呢？啪啪圈、吸管和积木，都是生活中的小物件，但却蕴含着大智慧。
表示：“我是一个对生活常见事物比较有好奇心的人，虽然并非所有的好奇心都能催化出来科研成果，但是我自己很喜欢这个钻研的过程。”
对于本项工作的后续研究，他打算采取“三步走”的路线：
一是把现在的单元做小，让它看起来更像一个材料而不只是一个结构。关于此，主要面临的挑战是如何在小型化结构中，实现预应力的精准布置。
二是目前该结构仅能实现从展开状态到收缩状态的快速变化，如何通过外部环境的激励，让其展开过程也可以变得更快也是希望解决的挑战。
三是希望结合智能材料带来更多应用前景，从而让它在合适的应用场景发挥实际作用，解决实际问题。
另据悉，2023 年是来到北航的第十四年。从本科到现在他一直都在这里，目前已经集齐本科、硕士、博士、博士后和教工等五张“一卡通”。
他说：“我很感恩和热爱在北航，我的几位导师促成了我从学生到老师的转变，我很幸运能遇到这么多的良师益友，他们是我在科研和教学路上的灯塔。”
大三时，他来到北航教授课题组参加科研训练并一直在此攻读博士学位。后来在读博期间，又来到国家纳米科学中心施兴华研究员课题组参与联培。博士毕业之后，加入北航教授的软体机器人实验室做博士后。
“总之，在各位老师和朋辈的帮助下，我总能不断汲取新养分，做自己喜欢做的事，同时也努力地向他们看齐。”说。
参考资料：
1.Liu, Y., Pan, F., Xiong, F., Wei, Y., Ruan, Y., Ding, B., ... & Chen, Y. (2023). Ultrafast Shape‐Reconfigurable Chiral Mechanical Metamaterial based on Prestressed Bistable Shells. Advanced Functional Materials, 2300433.
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