天津大学AFM: 基于可重构机构模块的三维可编程超材料

撰稿|由课题组供稿

近日，天津大学的陈焱教授课题组以Wohlhart多面体为研究对象，发展了一种具有多条可靠变形路径的单自由度可重构模块，这种超材料的构造模块可以通过固有的运动学分叉在可膨胀立方体、拉长棱柱和锁定的扭转路径之间连续重构，同时伴随着负泊松比、正泊松比和零泊松比行为，局部和整体手性，以及可调控的刚度。此外，基于几何和运动协调，可膨胀立方体和拉长棱柱路径上的模块可以被混合，并以搭积木的方式构建3D超材料。利用模块的可重构性，重新配置各个方向上模块在正泊松比或负泊松比状态下的比例，首次实现了超材料正交平面上的泊松比在 (-∞,+∞) 大范围内的独立编程。该研究工作为从可重构机构的角度探寻可编程超材料的胞元创新设计和空间排布方式开辟了新道路。相关研究工作以题为3D Programmable Metamaterials Based on Reconfigurable Mechanism Modules发表在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上。（详见下文的视频1）

机械超材料是人工设计的新型复合材料或结构，由于特殊的底层结构和空间排布方式，表现出自然材料所不具备的非常规机械特性。通常，单一胞元是通过旋转、阵列或镜像等方式进行周期性的排布以实现超材料性能的预期设计。然而，由于单胞具有相同的变形模式，所设计的超材料往往调节范围和适应能力有限。利用结构的形状变形来实现系统可重构是实现大变形超材料的可编程性和可调控性的一种有效方法。其中，基于机构运动的超材料具有的可靠变形路径等特点，是可编程性和可调控性实现的关键，这引起了学者们的广泛关注，并在刚性折纸、剪纸和模块化超材料的设计中得到了巨大应用。但针对基于机构运动的超材料的现有研究，大多是仅具有单一变形路径的有限重构能力的系统，尽管人们已经努力去探索具有多个变形路径的基于机构运动的超材料，但得到的大多是需要相对复杂控制的多自由度系统。

视频1

图1 模块的可重构性

图2 单一模块的机械性能

图3 具有(m_z+n_z)模块的柱状装配体的结构设计与性能编程

图4 3D超材料的结构设计与性能编程