三維可編程超材料的案例
天大《AFM》：三維可編程超材料！
圖4.具有機構模塊3D鑲嵌的超材料。a)通過在3D空間中鑲嵌系列組件而創建的3D超材料的設計方案I。b)三維超材料的設計方案II，分別在x、y和z方向上具有(mx+nx)、(my+ny)和(mz+nz)模塊，以形成立方體網格的框架。
本文通過對Wohlhart多面體的運動學分析，揭示了該機構有EC、EP和LT三條運動路徑，分別位于分岔點B0和Bx/By/Bz。以單一機構為模塊，通過分叉可以在EC、EP和LT路徑下不同的泊松比、NPR、PPR和ZPR之間進行切換。因此，泊松比可以隨模體的運動而調節，但對幾何參數不敏感。由于模塊的可重構性，通過調整?∞和+∞狀態模塊的數目比例，可以在PPR到NPR的大范圍內對正交平面上的泊松比進行獨立編程，大大提高了具有可編程泊松比的三維超材料設計的靈活性。
展開 深圳大學周學昌：可回收/焊接/機械耐用/可編程的液態金屬彈性體復合材料
【經典回顧】
【1】UCL《先進材料`綜述》從實驗室研究到商業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，降解的木質纖維素生物塑料
【4】浙江大學吳子良《先進材料》香豆素光交聯水凝膠可重構梯度結構和可重編程3D變形
深圳大學周學昌：可回收/焊接/機械耐用/可編程的液態金屬彈性體復合材料
【經典回顧】
【1】UCL《先進材料`綜述》從實驗室研究到商業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，降解的木質纖維素生物塑料
【4】浙江大學吳子良《先進材料》香豆素光交聯水凝膠可重構梯度結構和可重編程3D變形
三維晶格超材料的隔振性能及耐撞性研究
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，當發生碰撞時，三維超材料可以通過塑性變形來吸收破碎能量。研究了結構參數對新型三維超材料的帶隙特征和碰撞行為的影響。結果表明，結構參數在確定帶隙特征和碰撞行為方面起著至關重要的作用。因此，通過合理地調整結構參數，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行了多目標優化，得到了新型三維超材料的優化設計。本工作為開發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：
該研究提出了一種新型的三維變形材料的設計，并對其振動隔離能力和耐撞性進行了全面的研究。通過多目標優化來優化變形材料，同時考慮了振動隔離和耐撞性。主要結論如下：
(1) 通過調整所提出的三維變形材料的結構參數，可以控制帶隙和破壞響應，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閉。帶隙的群速度范圍隨著b的增加而呈現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 
：通過正交超分子異質網絡制備雙重可編程形狀變形和自愈合油水凝膠
【引言】
可編程材料能夠改變其固有的形狀或屬性從而適應復雜的環境和用途，其適用于航空、智能設備以及生物醫學等方面，近些年來引起了人們極大的關注。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）能夠產生執行轉換或動作等形式變化。目前，已經有兩種常用的方法實現形狀編程的靈活性，第一種是諸如基里加米、折紙藝術和3D打印等獲得復雜SMP形狀的幾何輔助，第二種是通過使用創新的聚合物網絡設計來拓展SMP的可編程性。然而，多數具有單一控制途徑的SMP只允許復雜的臨時形狀恢復到之前的永久狀態，最終限制了這些材料的多功能性以及在復雜應用中控制它們的能力。因此，開發具有更高自由度的分級可編程材料仍然是一個挑戰。
【成果簡介】
近日，北京航空航天大學劉明杰教授課題組設計并開發了一種具有異質超分子網絡結構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凝膠能夠獨立地響應不同的外部刺激，從而提供了正交的雙開關機制和超高機械強度。超分子異質網絡還具有優異的自愈合性質，而且這種正交超分子異質網絡顯示出分級的形狀變形性能，遠遠優于傳統的形狀變形材料。利用正交超分子異質網絡的雙重編程策略，可以在逐步形變過程中實現材料永久形狀的控制，進而實現具有更高自由度的復雜形狀變化。
展開 ：在高分子材料的三維形狀光編程領域取得新進展
圖2.材料的制備及表征
通過將不同的應力方向、輻照區域和輻照方向進行組合，可以實現材料的一系列基礎變形，這其中包括彎曲、折疊、扭轉、螺旋等多種不同的變形模式。通過控制雙臂材料的輻照方向可以實現不同彎曲方向交替排列的波浪狀結構。通過對四臂材料進行拉伸并輻照，可以實現具有相同彎曲方向的花型結構。除了重復的同種變形之外，利用該形狀編程方法還可以將波浪狀和螺旋狀等不同的變形模式集成到同一塊材料中以實現更為復雜的形變。此外，利用有限元分析對材料的應力梯度和變形過程進行仿真，可以對材料的變形模式進行模擬和預測。
圖3.材料不同三維形狀的光編程及模擬仿真
利用光熱效應來代替傳統的加熱方式，還可以實現材料的序列變形。該團隊通過向材料中摻雜一定含量的碳納米管，制備得到了黑色半透明的二硒形狀記憶材料，實驗表明該材料具備良好的光熱性能。通過對該材料進行應力編輯并配合660nm激光輻照，可以實現六臂材料的序列折疊過程。相對于整體的同時變形，這種具有時間分辨的序列變形模式可以大大增加材料三維形狀的復雜程度。此外，利用該序列變形模式還可以進一步實現包含物體搬運和自支撐在內的一系列致動過程。
圖4. 序列變形、物體搬運和自支撐過程
除宏觀變形之外，該材料還可以用于微觀三維圖案的光學打印過程。將該材料進行拉伸并在特定位點進行輻照。經過加熱收縮之后，可以在材料的表面形成各種各樣的三維圖案。該圖案化方法簡單有效，可用于多種不同形狀和尺寸的三維微圖案的制備。
圖5.
展開 ：無色透明、超強韌、可回復、可修復聚氨酯-脲彈性體材料
更為重要的是，PPGTD0.4-IPDA1.0-IPDI0.6彈性體材料展示了目前可修復聚合物材料中最高的韌性（503.3 MJ m-3），材料的斷裂強度達到了33.4MPa的同時，斷裂伸展率也達到了2970%。分析材料超強韌的原因，主要可以歸結為：（1）IPDI的加入在PPGTD0.4-IPDA1.0-IPDI0.6聚合物網絡內植入了大量的犧牲鍵，增加彈性體材料能量消散的途徑；（2）IPDI改性硬相內氫鍵快速可逆的斷裂/結合能力解決了材料強度與延展率之間的矛盾，這是超強韌性的重要來源。
圖4. PPGTD0.4-IPDA1.0-IPDI0.6彈性體材料自修復性能展示和自修復機理研究
和普通的可修復聚合物材料不同的是，PPGTD0.4-IPDA1.0-IPDI0.6彈性體材料并沒有表現出明顯的升溫（60-80°C）提升修復效率的現象，這主要可以歸結為彈性體材料具有較為穩定的彈性平臺，這樣的特性也可以保證材料在較高溫度范圍仍然可以保持彈性體特征，解決了普通可修復聚合物材料在較高溫度下由于超分子交聯中心的解離而導致材料力學性能出現顯著退化的問題。更為重要的是，實驗發現了微量溶劑可以幫助PPGTD0.4-IPDA1.0-IPDI0.6彈性體材料實現快速修復。微量溶劑和其它外部刺激修復因素，如：光、熱等一樣，它有助于聚合物材料斷裂面氫鍵的快速交換，促進聚合物鏈段在斷裂面間的擴散、交纏，從而實現機械性能的修復。
圖5. PPGTD0.4-IPDA1.0-IPDI0.6彈性體材料表現出極為出色的抗沖擊和吸能緩沖能力。材料可以在較高溫度下保持吸能能力，即使材料出現局部破損，優異的自修復功能可以恢復材料的緩沖吸能功能。
展開 麻省理工學院開發了用于數字化制造的可編程水基生物復合材料
它使用自然生態系統作為材料生產過程的靈感，不會產生浪費。纖維素，殼聚糖，果膠和碳酸鈣結合并以高空間分辨率與材料可調性復合，產生具有機械，化學和光學功能特性的可生物降解復合材料，長度范圍從毫米到米。這些水狀皮膚狀結構（'hojas'）的設計和制造就像它們的生長一樣：不需要組裝。
Aguahoja I展館高5米，由生物復合材料構成，具有不同程度的剛度，柔韌性和不透明性，可作為外立面或“結構表皮”制造，不含組件，其表面積僅受機器人龍門架的限制 - 連續結構模仿人體皮膚 - 用作結構，窗口和環境過濾器的區域。在其生命周期結束時，當不再有用時，結構可以被編程為在水中降解（例如雨！），從而將其組成構建塊恢復到其自然生態系統，從而增加使其創建的自然資源循環。這種“環境規劃”水平在未來可以構建相對于季節修改其屬性的結構：
該項目代表了Neri Oxman和團隊進行了6年的探索，他們使用的是計算機“生長”和機器人制造的生物相容性材料復合材料，它們共同組成了功能性生物聚合物的“庫”。
展開 MIT和NASA聯合研發可變形機翼：應用超材料技術
據國外媒體報道，美國國家航空航天局和麻省理工學院合作研究出一種可變形機翼，這種所謂的“超材料”采用輕量級的晶格框架，能夠根據空氣動力自動改變形狀，能夠讓飛機飛行更加節能。
如果你坐在飛機上靠窗的位置，或許能夠看到一側機翼上的襟翼在飛機起飛和降落時抬起或落下。這是因為在飛行的每個階段，理想的機翼參數各不相同。到目前為止，人們只是通過鉸鏈改變剛性機翼的升力特性。但是，美國國家航空航天局和麻省理工學院正在研究如何讓整個機翼改變形狀。
在《智能材料與結構》雜志上發表的一篇論文中，研究團隊解釋了他們是如何重新設計機翼的。這種機翼的新結構是輕量級的晶格框架，由成千上萬個重復的、類似火柴棍的小三角形支柱組成，表面覆蓋看一層輕薄聚合物。這種所謂的“超材料”是中空的，不到橡膠密度的千分之一，所以它非常輕。而且，精心定位的支柱允許機翼根據空氣動力加載條件的變化自動改變形狀。這兩個因素都能讓飛機更加節能。
輕量的可變形機翼引發了人們對理想飛機外形的思考。有了這項技術，我們或許能夠擺脫傳統飛機設計。當然，在萬米高空看到機翼形狀發生變化還存在于理論之中。目前的研究距離商用飛機還有很長一段路要走。與此同時，這種研究成果還具有重新設計其他結構的潛力，比如風力渦輪機的翼狀葉片。
展開 美大學借助3D打印開發出新型輕便、可防止變形失效的超材料
借助3D打印開發的超材料進行壓縮試驗
張拉超材料顯示出前所未有的抗破壞性、極好能量吸收性、可變形性和強度，勝過了所有其他類型的最新輕型結構。該團隊的研究為高級工程系統的設計提供了重要的基礎，從可重復使用的沖擊防護系統到自適應的承重結構。
該研究得到了美國宇航局（NASA）和國家科學基金的資助，相關論文《Tensegrity Metamaterials: Toward Failure‐Resistant Engineering Systems through Delocalized Deformation》已在Advanced Materials期刊上發表，論文已上傳QQ群。
展開 《先進功能材料》類似玩橡皮泥的“機械編程”過程實現液晶交聯聚合物網絡可控3D變形
可控3D形變的智能材料為柔性機器人的設計、開發和應用提供了堅實的基礎。環境響應性智能高分子聚合物，諸如水凝膠、形狀記憶和電活性聚合物，因其輕質、加工性優異以及結構和性能可調等特性而備受關注。然而，利用環境響應性智能高分子聚合物設計和開發柔性機器人以滿足實際應用的需要，還面臨了一些困難和挑戰。
與其他環境響應性智能高分子聚合物相比，液晶交聯聚合物網絡兼備了液晶的自組裝性能和高分子聚合物的彈性。這種特殊的結構賦予了液晶交聯聚合物網絡一些特殊的性能。通過精確控制液晶在聚合物網絡中的取向方式，可實現可逆、復雜和大變量的3D形變。此外，液晶對多種刺激可產生響應使得驅動液晶交聯聚合物網絡形變的方式多種多樣，可以是光、電場或磁場等。將液晶交聯聚合物網絡設計成驅動器件應用于柔性機器人，主要有兩個問題函待解決。第一，制備可控3D形變液晶交聯聚合物網絡的過程比較繁瑣。通常需要將液晶灌入表面特殊處理的液晶盒中，并借助其他一些復雜光源輔助設備來精確調控聚合物網絡中液晶的取向。第二，目前主要研發的具備3D形變的液晶交聯聚合物網絡主要為薄膜，難于設計和制備纖維和管等幾何形狀的驅動器件。
“機械編程”賦予液晶交聯聚合物網絡可逆、復雜和大變量的3D形變的示意圖
針對以上問題，滑鐵盧大學趙博欣教授課題組在《先進功能材料》上發表題為＂Programmable 3D Shape Changes in Liquid Crystal Polymer Networks of Uniaxial Orientation＂的研究論文。該論文研發了一種“機械編程”過程，拉伸誘導液晶在聚合物網絡中單軸取向，通過機械塑形將聚合物網絡塑造成任意的形狀（卷曲、螺旋或馬蹄），紫外光照以固定液晶取向和機械塑形。
展開 
可制備三維高分子納米復合材料的新方法
可制備三維高分子納米復合材料的新方法。碳納米管（CNTs）和石墨烯作為一種新型的碳納米材料，由于其獨特的結構和優異的性能，在聚合物納米復合材料領域引起了廣泛的關注。
近年來，中國科學院新疆理工研究所研究員馬鵬程領導的研究小組在碳納米管泡沫材料的制備和應用方面取得了一系列進展，部分研究成果已應用于國家重點實驗室。授權和授權。柔性傳感裝置中的三維聚合物納米復合材料的研究成果發表在《復合材料科學與技術》上，該研究得到了國家計劃、自然科學基金和精細化工產業化聯盟的支持。中國科學院研究生院。
研究人員使用廉價的商業化聚合物泡沫作為模板。通過控制實驗條件，制備原位催化劑，部分熱解聚合物模板，以及納米材料的生長，實現了CNT泡沫的高效可控生長。馬鵬程說，我們獲得的納米材料具有優異的St。結構穩定性、疏水性和吸附性均能吸附30～80倍的有機溶劑和未聚合的液體聚合物樹脂，可制備任意形狀的碳納米管泡沫，為C的制備提供了極大的便利。聚合物納米復合材料。
同時，研究人員充分利用了CNT泡沫的孔結構和吸附性能，并以聚甲基硅氧烷為基質，采用樹脂自滲透法制備了三維聚合物納米復合材料。研究了該材料的力學性能和電學性能。研究發現，該材料具有獨特的壓阻效應，在此基礎上，研制了一種基于三維聚合物納米復合材料的柔性應變傳感器。
研究人員利用自行研制的掃描電鏡（SEM）原位微機械測試裝置研究了應力條件下器件的微觀斷裂行為。結果表明，器件的電阻行為與CNT泡沫骨架的變化、內部裂紋的形成和擴展以及微觀結構和結有關，從結構變化的角度解釋了傳感材料的力電耦合行為。
柔性應變傳感器可以以多種方式結合到實際應用中，如電子皮膚顯示材料的應力分布、指示材料的存取電路的應變狀態等。它在可穿戴設備、柔性電子顯示、儲能等方面具有廣闊的應用前景。
展開 3D打印全新血管超材料，可經重新配置改變熱和電磁特性
Patrick表示：“操縱熱特性可以幫助我們在電動汽車、高超音速飛機和微處理器等設備中開發更高效的主動冷卻系統。例如，電動汽車電池目前依靠的是帶有簡單微通道的鋁翅片進行冷卻。我們相信我們的超材料在散熱方面同樣有效，并且還可以保護電源結構，但重量大大減輕。此外，3D打印能使我們能夠創建更復雜、更優化的血管結構。”
研究人員還指出，新的超材料采用現有的復合材料制造工藝，非常具有成本效益。Patrick還表示：“纖維增強復合材料已經得到廣泛使用。我們正在進一步開發材料，并利用3D打印創建一類新的多功能和可重新配置的超材料，不僅具有可擴展的結構，且價格相對低廉。”
展開 《先進材料》中美合作實現獨立三維細微觀結構，電子器件及形狀可編輯的智能系統
目前，多功能三維微器件在生物醫學器件、機器人和微機電系統等眾多領域具有廣泛應用。然而，受成型三維結構尺寸及材料種類的限制，現有三維微結構的制備、組裝方法難以滿足當前三維微器件的快速發展需求。2015年《科學》的一篇封面論文報道了一種基于力學引導的三維屈曲組裝方法，依托一個預拉伸的彈性基底作為組裝平臺，能夠實現不同材料（金屬、聚合物、硅等）的跨尺度（微米至厘米）三維結構組裝，為解決上述問題提供了一種新的途徑。不過，該方法需要克服的一個挑戰是如何將形成的三維微結構與彈性基底分開并獨立存在，因為基底的存在很大程度上限制了該方法在機器人，生物醫療器件等領域中的應用。
近日，美國西北大學約翰?羅杰斯（John A. Rogers）課題組與清華大學航天航空學院張一慧課題組合作在《先進材料》（Advanced Materials）期刊上發表了題為Freestanding 3D Mesostructures, Functional Devices, and Shape‐Programmable Systems Based on Mechanically Induced Assembly with Shape Memory Polymers的研究論文。該成果原創性地提出了基于力學引導三維組裝，利用形狀記憶聚合物（SMP）的固形特性來制備獨立三維微觀結構及器件的新方法。該方法成功地實現了獨立的跨尺度多功能三維結構及器件，為三維微觀結構在未來多領域的應用提供了一條新途徑。
該研究團隊首先闡述了利用力學引導的三維屈曲組裝方法制備多尺度三維形狀記憶聚合物（SMP）結構的可行性。
展開 中科院深圳先進院杜學敏研究員團隊等發展出天然高分子水凝膠材料三維形態可控編輯新策略
該研究發展了一種天然高分子水凝膠材料三維形態可控編輯新策略，該策略既無需復雜設備進行結構設計，又無需多組分材料復合，僅通過交聯梯度與尺寸效應協同，即可實現單組分傳統高分子水凝膠材料三維形態可控編輯，且該簡單易行的形態編輯策略還可普適拓展到如海藻酸鈉等高分子材料中。該研究工作得到了國家重點研發計劃（2017YFA0701303）、國家自然科學基金（52022102）、中國科學院青年創新促進會（2019353）、深圳市（JCYJ20180507182051636，KQJSCX20180330170232019）等科技項目資助。
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