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建模与表征多孔材料与人工结构丨比翱工程实验室
一种全新的策略来设计变形材料，其潜在应用范围从弹出式帐篷到医用支架。关键：通过弹性和几何形状实现多稳定性。在AMOLF原子和分子物理学研究所、莱顿大学和哈佛大学的共同努力下，此项研究成果已发表在《自然》杂志上。
波纹塑料（Corrugated plastic）被证明是一种新型“多稳态”超材料的典范，这种超材料可以可逆地改变形状。这种见解可以带来新的应用，从机器人到医疗设备。哈佛大学物理学家Anne Meeussen和AMOLF/莱顿大学Martin van Hecke在2023年9月20日出版的《自然》杂志上描述了这些材料。
从展开花瓣的花朵到抓取物体的机器人：我们周围的事物都在改变形状。多年来，研究人员受到大自然的启发，创造出了可以从一种形状转变为另一种形状的材料。但有一个问题。通常，这些形状是不稳定的，如果它们是稳定的，就无法重塑。黏土也有类似的问题；用软粘土制作的形状是不稳定的，但一旦黏土被烘焙，它的形状就无法重置。
Meeussen和Van Hecke在他们的《自然》杂志上描述了一种设计真正的“多稳态”超材料的新规则。Van Hecke解释道：“我们第一次可以制造出具有多种稳定条件的材料，这些条件也可以很容易地逆转。”。
这一发现的基础是一种结构看似简单的材料：含有波纹或凹槽的塑料片或任何其他柔性材料。当这个槽形片材被拉动时，凹槽弯曲并形成垂直于凹槽的延伸隆起（脊）。即使你停止拉动，这个隆起也会保持原位，并迫使片材变成新的形状。将各种脊状隆起组合在一起，形成炫丽的滚动、螺旋和螺旋形状，即使独立站立也很稳定。Van Hecke说：“然而，如果你把片材拉开得更远，隆起就会消失，你可以重新开始整形。”。
Meeussen发现，每个弯曲的凹槽都是一个缺陷，相邻的缺陷相互“感觉”：如果你把它们拉近，它们就会相互排斥。“但是，如果两个缺陷正好挨在一起，它们就会粘在一起。”这意味着脊是由缺陷链组成的，它们相互吸引并锁定在一起。Meeussen说：“了解这些缺陷、隆起和形状需要相当长的时间”，他分析了这种材料，并对波纹塑料进行了计算机模拟、计算和大量实验。“这一切都发生在新冠肺炎封锁期间，所以我在家做了很多实验。”
新发现的多功能和变形材料原理开辟了许多不同类型的应用，例如可折叠应急外壳；医疗器械，如支架，可以以一种形状进入身体，一旦进入，就会折叠成另一种稳定、有用的形状；甚至可以在可编程形状之间轻松来回切换的机器人零件也是可行的。
总的来说，这是一组美丽的发现，尤其是因为这项研究一开始只是字面意义上的儿童游戏。Van Hecke说“我女儿和一个朋友曾经玩过他们在饼干包里发现的一张瓦楞纸板。朋友在纸上拉了一个隆起的形状，递给我女儿说：“你爸爸会喜欢这个的。”她是对的！在那之后，我儿子也想出了各种各样的形状，我知道有一些令人兴奋的东西可以被发现。”
A.S. Meeussen and M. van Hecke, Multistable sheets with rewritable patterns for switchable shape-morphing, Nature 621, 516–520 (2023).DOI: 10.1038/s41586-023-06353-5.
国际论坛丨多孔弹性材料声学技术大会（SAPEM）丨中国常熟 · 意大利索伦托
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