北理工團隊在變剛度超材料研究中取得重要進展

作者：集小微 01-23 11:25

來源：北京理工大學 #軟物質(zhì)# #超材料# #北京理工大學#

近期，北京理工大學軟物質(zhì)力學團隊在力學超材料方面取得重要進展，相關(guān)研究成果以“Stability-Enhanced Variable Stiffness Metamaterial with Controllable Force-Transferring Path”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》，并被選為當期卷首論文（Frontispiece）。北京理工大學宇航學院2020級碩士研究生伊繼烜為論文第一作者，宇航學院萬超副教授與張凱教授為論文共同通訊作者。

工程領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)剛度要求日益復雜，使得傳統(tǒng)材料難以滿足多變的設(shè)計需求。在這種背景下，可變剛度材料應(yīng)運而生。作為可變剛度材料之一，自接觸變剛度超材料（Self-contact variable stiffness metamaterials）通過改變其力傳遞路徑，實現(xiàn)了特定的彈性應(yīng)變能存儲模式，進一步實現(xiàn)剛度調(diào)節(jié)，解決了常見變剛度超材料需要外部驅(qū)動或刺激場的不足。然而，由于超材料制造過程中不可避免地存在不規(guī)則結(jié)構(gòu)、偏心和缺損等不足，現(xiàn)有的自接觸變剛度超材料大多難以穩(wěn)定地實現(xiàn)預期設(shè)計的應(yīng)變能存儲模式，其實際的剛度變化范圍受到很大影響。

為了解決這一問題，本研究提出了一種具有偏心單元設(shè)計的SVS超材料/超結(jié)構(gòu)，既能實現(xiàn)穩(wěn)定的剛度變化，又能實現(xiàn)高承載。理論、仿真和實驗結(jié)果表明：新型的SVS超材料在高、低載荷條件下剛度變化約為110倍；進入高剛度階段時，其承載能力可達1500 N以上（如圖2所示）。

圖2 自接觸變剛度超材料的偏心設(shè)計、傳力路徑及其增穩(wěn)機制

進一步，基于該穩(wěn)定性增強的SVS超材料，可實現(xiàn)對人體關(guān)節(jié)的定制機械保護（如圖3）和遠程機械輸入信號調(diào)節(jié)的信息轉(zhuǎn)換功能（如圖4）。這些成果為生成更可行的穩(wěn)定性增強SVS超材料/超結(jié)構(gòu)提供了有益的解決方案，并推動了它們在航空航天、醫(yī)療器械和機器人技術(shù)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。