三維可編程超材料
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2022-01-18
三維可編程超材料的實例教程
圖4.具有機(jī)構(gòu)模塊3D鑲嵌的超材料。a)通過在3D空間中鑲嵌系列組件而創(chuàng)建的3D超材料的設(shè)計方案I。b)三維超材料的設(shè)計方案II，分別在x、y和z方向上具有(mx+nx)、(my+ny)和(mz+nz)模塊，以形成立方體網(wǎng)格的框架。
本文通過對Wohlhart多面體的運(yùn)動學(xué)分析，揭示了該機(jī)構(gòu)有EC、EP和LT三條運(yùn)動路徑，分別位于分岔點B0和Bx/By/Bz。以單一機(jī)構(gòu)為模塊，通過分叉可以在EC、EP和LT路徑下不同的泊松比、NPR、PPR和ZPR之間進(jìn)行切換。因此，泊松比可以隨模體的運(yùn)動而調(diào)節(jié)，但對幾何參數(shù)不敏感。由于模塊的可重構(gòu)性，通過調(diào)整?∞和+∞狀態(tài)模塊的數(shù)目比例，可以在PPR到NPR的大范圍內(nèi)對正交平面上的泊松比進(jìn)行獨立編程，大大提高了具有可編程泊松比的三維超材料設(shè)計的靈活性。
展開 【經(jīng)典回顧】
【1】UCL《先進(jìn)材料`綜述》從實驗室研究到商業(yè)化的柔性鋅離子水凝膠電池見解
【2】2020年Nature/Science氣凝膠回顧展：世界上最輕的固體材料
【3】《Nature Sustain.》耶魯姚媛/馬里蘭胡良兵:堅固，回收，降解的木質(zhì)纖維素生物塑料
【4】浙江大學(xué)吳子良《先進(jìn)材料》香豆素光交聯(lián)水凝膠可重構(gòu)梯度結(jié)構(gòu)和可重編程3D變形
【經(jīng)典回顧】
【1】UCL《先進(jìn)材料`綜述》從實驗室研究到商業(yè)化的柔性鋅離子水凝膠電池見解
【2】2020年Nature/Science氣凝膠回顧展：世界上最輕的固體材料
【3】《Nature Sustain.》耶魯姚媛/馬里蘭胡良兵:堅固，回收，降解的木質(zhì)纖維素生物塑料
【4】浙江大學(xué)吳子良《先進(jìn)材料》香豆素光交聯(lián)水凝膠可重構(gòu)梯度結(jié)構(gòu)和可重編程3D變形
原文摘要：
本文研究了一種新型三維（三維）晶格超材料的隔振性能和耐撞性，該材料的單元由一個空心菱形十二面體和六個圓柱管組成。由于超材料中存在帶隙，可以抑制三維超材料中彈性波的傳輸。同時，當(dāng)發(fā)生碰撞時，三維超材料可以通過塑性變形來吸收破碎能量。研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對新型三維超材料的帶隙特征和碰撞行為的影響。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)參數(shù)在確定帶隙特征和碰撞行為方面起著至關(guān)重要的作用。因此，通過合理地調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以獲得所需的隔振性能和耐撞性。最后，從隔振性能和耐撞性等綜合方面進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，得到了新型三維超材料的優(yōu)化設(shè)計。本工作為開發(fā)具有隔振性能和耐撞性的多功能超材料提供了新的可能性。
原文總結(jié)：
該研究提出了一種新型的三維變形材料的設(shè)計，并對其振動隔離能力和耐撞性進(jìn)行了全面的研究。通過多目標(biāo)優(yōu)化來優(yōu)化變形材料，同時考慮了振動隔離和耐撞性。主要結(jié)論如下：
(1) 通過調(diào)整所提出的三維變形材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以控制帶隙和破壞響應(yīng)，從而控制振動隔離特性和能量吸收性能。
(2) 第6和第7頻帶之間的帶隙隨著b的增加而先打開后關(guān)閉。帶隙的群速度范圍隨著b的增加而呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。頻帶的能量傳遞效率(PCF)和聲能吸收效率(SEA)隨著b的增加而增加。
(3) 第6和第7頻帶之間的帶隙隨著d的增加而逐漸減小。帶隙的群速度范圍隨著d的增加而呈下降趨勢。頻帶的能量傳遞效率(PCF)在d增加時先減小后增加。總體上講，隨著d的增加，聲能吸收效率(SEA)的差異并不顯著。
(4) 隨著t的變化，群速度范圍的變化相對較小。頻帶的能量傳遞效率(PCF)和聲能吸收效率(SEA)隨著t的增加而增加。
展開 【引言】
可編程材料能夠改變其固有的形狀或?qū)傩詮亩m應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境和用途，其適用于航空、智能設(shè)備以及生物醫(yī)學(xué)等方面，近些年來引起了人們極大的關(guān)注。形狀變形聚合物（SMP）是一種極具吸引力的可編程材料，其對外部刺激（如溫度、光、溶劑和電場等）能夠產(chǎn)生執(zhí)行轉(zhuǎn)換或動作等形式變化。目前，已經(jīng)有兩種常用的方法實現(xiàn)形狀編程的靈活性，第一種是諸如基里加米、折紙藝術(shù)和3D打印等獲得復(fù)雜SMP形狀的幾何輔助，第二種是通過使用創(chuàng)新的聚合物網(wǎng)絡(luò)設(shè)計來拓展SMP的可編程性。然而，多數(shù)具有單一控制途徑的SMP只允許復(fù)雜的臨時形狀恢復(fù)到之前的永久狀態(tài)，最終限制了這些材料的多功能性以及在復(fù)雜應(yīng)用中控制它們的能力。因此，開發(fā)具有更高自由度的分級可編程材料仍然是一個挑戰(zhàn)。
【成果簡介】
近日，北京航空航天大學(xué)劉明杰教授課題組設(shè)計并開發(fā)了一種具有異質(zhì)超分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的雙重可編程形狀的變形油水凝膠，在該體系中金屬-超分子水凝膠骨架和微有機(jī)凝膠能夠獨立地響應(yīng)不同的外部刺激，從而提供了正交的雙開關(guān)機(jī)制和超高機(jī)械強(qiáng)度。超分子異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)還具有優(yōu)異的自愈合性質(zhì)，而且這種正交超分子異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)顯示出分級的形狀變形性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的形狀變形材料。利用正交超分子異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的雙重編程策略，可以在逐步形變過程中實現(xiàn)材料永久形狀的控制，進(jìn)而實現(xiàn)具有更高自由度的復(fù)雜形狀變化。
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三維可編程超材料的最新內(nèi)容
原文摘要：
本文研究了一種新型三維（三維）晶格超材料的隔振性能和耐撞性，該材料的單元由一個空心菱形十二面體和六個圓柱管組成。由于超材料中存在帶隙，可以抑制三維超材料中彈性波的傳輸。同時，當(dāng)發(fā)生碰撞時，三維超材料可以通過塑性變形來吸收破碎能量。研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對新型三維超材料的帶隙特征和碰撞行為的影響。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)參數(shù)在確定帶隙特征和碰撞行為方面起著至關(guān)重要的作用。因此，通過合理地調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)
由于模塊的可重構(gòu)性，通過調(diào)整?∞和+∞狀態(tài)模塊的數(shù)目比例，可以在PPR到NPR的大范圍內(nèi)對正交平面上的泊松比進(jìn)行獨立編程，大大提高了具有可編程泊松比的三維超材料設(shè)計的靈活性。
可控變形材料在柔性電子、軟體機(jī)器人和生物醫(yī)療器械中有著廣闊的應(yīng)用前景。由于形狀記憶聚合物通過形狀轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)其功能，因此它是一類理想的形狀編程材料。然而傳統(tǒng)形狀記憶聚合物的永久形狀通常依賴成型模具，而復(fù)雜模具的設(shè)計和加工耗時耗力。通過向形狀記憶聚合物中引入熱響應(yīng)的動態(tài)共價鍵，可以使材料的永久形狀擺脫對成型模具的依賴。但是由于熱刺激不僅可以觸發(fā)動態(tài)鍵的交換
導(dǎo)讀：2021年8月18日，南極熊獲悉，來自北卡羅來納州立大學(xué)(North Carolina StateUniversity)研究人員開發(fā)出一種全新血管材料，并進(jìn)行了展示。這種材料可被重新配置，從而改變熱和電磁特性。
該研究論文的通訊作者、北卡羅來納州立大學(xué)土木、建筑和環(huán)境工程系助理教授JasonPatrick表示：“我們從生物體中發(fā)現(xiàn)的微小血管網(wǎng)絡(luò)中汲取靈感，并將這種微血管系統(tǒng)整合到用玻璃纖維增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)環(huán)氧樹脂中
形狀變形軟材料，能夠響應(yīng)外界環(huán)境刺激（如熱，光和磁場等），切換其幾何結(jié)構(gòu)與外形，在軟體機(jī)器人、柔性電子和生物醫(yī)用等諸多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。其中，磁驅(qū)軟材料，由化學(xué)交聯(lián)彈性體與磁性顆粒組成，具有遠(yuǎn)程控制、快速可逆形變的能力，在受限與密閉空間（如微創(chuàng)手術(shù)）的變形驅(qū)動應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。加工制備具有復(fù)雜形狀與磁化分布的磁驅(qū)軟材料
熱塑性聚氨酯或聚脲彈性體材料因其優(yōu)異、可調(diào)的機(jī)械性能和可回收性廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域。但是，在復(fù)雜的服役環(huán)境中，傳統(tǒng)的聚氨酯或聚脲彈性體材料容易受到機(jī)械損傷，如果沒有得到及時補(bǔ)救，其性能會迅速退化。賦予聚氨酯或聚脲彈性體材料本征自修復(fù)功能可以延長其服役壽命、減少維護(hù)成本，符合可持續(xù)發(fā)展理念。合理調(diào)控聚氨酯或聚脲彈性體材料的微相分離結(jié)構(gòu)是賦予其本征自修復(fù)功能的有效策略
近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所納米調(diào)控中心杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊發(fā)展了一種天然高分子水凝膠材料三維形態(tài)可控編輯新策略：通過交聯(lián)梯度與尺寸效應(yīng)協(xié)同調(diào)控殼聚糖水凝膠三維形變，并揭示其可控三維形變力學(xué)機(jī)制。相關(guān)論文以《單組分天然多糖水凝膠形態(tài)編輯》（Editing the Shape Morphing of Mono-component
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【科研摘要】
基于液態(tài)金屬（
LM）的彈性體在從軟機(jī)器人技術(shù)到柔性電子學(xué)的廣泛應(yīng)用中受到越來越多的關(guān)注。然而，特別是具有多功能的基于LM的彈性體的制造，其具有可回收性和瞬時性，同時提供優(yōu)異的機(jī)械性能和穩(wěn)定性，仍然是一個挑戰(zhàn)
最近
，
深圳大學(xué)
周學(xué)昌教授
團(tuán)隊
報告了一種制造耐用且可回收的多功能LM彈性體復(fù)合材料的策略
【科研摘要】
基于液態(tài)金屬（
LM）的彈性體在從軟機(jī)器人技術(shù)到柔性電子學(xué)的廣泛應(yīng)用中受到越來越多的關(guān)注。然而，特別是具有多功能的基于LM的彈性體的制造，其具有可回收性和瞬時性，同時提供優(yōu)異的機(jī)械性能和穩(wěn)定性，仍然是一個挑戰(zhàn)
最近
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深圳大學(xué)
周學(xué)昌教授
團(tuán)隊
報告了一種制造耐用且可回收的多功能LM彈性體復(fù)合材料的策略，該復(fù)合材料由作為功能性填料的
材料和結(jié)構(gòu)的破壞與局部機(jī)制有內(nèi)在聯(lián)系，包括易延性金屬、脆性陶瓷、離散泡沫和空間桁架，通常會發(fā)生高度局部變形。剪切帶和裂紋表面的形成，以及壁和支柱的屈曲，可能會發(fā)生連鎖反應(yīng)，而系統(tǒng)的大部分未承受臨界載荷。為了打破這種已建立的范式，來自加州大學(xué)爾灣分校和佐治亞理工學(xué)院的研究人員們展示了使變形非局部化的3D打印張力超材料，可以使變形離位以防止失效。 研究人員通過張拉整體性（Tensegrity）設(shè)計原則
