80电影天堂网,少妇高潮一区二区三区99,jαpαnesehd熟女熟妇伦,无码人妻精品一区二区蜜桃网站

  結(jié)構智能集成一體化要求裝備通過結(jié)構設計與集成，實現(xiàn)形狀、性能和功能在時間和空間維度上可控變化，在不同模態(tài)或不同環(huán)境下實現(xiàn)變形、變性和變功能的“三變”。目前的力學超結(jié)構（超材料）已經(jīng)難以滿足日益提高的應用需求。智能驅(qū)動力學超結(jié)構（超材料） (Active Mechanical Metamaterials, AMMs) 是一類具有感知外界激勵、主動判斷并作出響應功能的材料，能夠通過“感知-響應”來滿足應用場景的需求和模態(tài)變化，受到了科學家的廣泛研究。AMMs內(nèi)部精巧的人工設計微結(jié)構和自身智能材料的刺激響應特性，使其不僅繼承了力學超結(jié)構的超常力學性能，還具備了強大的驅(qū)動功能。AMMs的微觀和宏觀結(jié)構是根據(jù)幾種基本的力學構筑原理設計的，即相變原理、應變失配原理以及力學失穩(wěn)原理�？紤]到刺激響應材料的可控性和實際工作效率，研究人員使用溫度、化學物質(zhì)、光、電、磁場和壓力作用這些外部物理場作為激勵場。北京理工大學方岱寧院士、李營教授團隊應邀從力學構筑原理和刺激響應材料兩方面，系統(tǒng)性地總結(jié)了AMMs的前沿工作和最新進展（如圖1），對比了不同類型AMMs的特點和適用場景，并討論了AMMs的功能和工程應用，最后簡要描述了該領域目前存在的問題和發(fā)展前景。這篇綜述有望為AMMs的后續(xù)研究工作提供依據(jù)和啟發(fā)。

圖1 智能驅(qū)動力學超結(jié)構的構筑原理、驅(qū)動物理場以及應用

  作者將AMMs的力學構筑原理歸納為主要的三大類。首先是相變原理。相變原理是指當外力不斷作用于材料直至某一特定條件時，導致材料微觀結(jié)構的變化和宏觀上的狀態(tài)改變。最常見的相變現(xiàn)象是材料在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化。在相變過程中，各組分之間的分子間相互作用使整個材料經(jīng)歷一系列的性質(zhì)變化或變形，因此，相變原理可作為一大類AMMs的構造方法。第二種是應變失配原理。應變失配是指介質(zhì)中應變的不連續(xù)變化，常發(fā)生在由兩種或兩種以上不同材料組成的結(jié)構中。由于各部分力學性能的不同，在環(huán)境或荷載的作用下，各組分間不協(xié)調(diào)的應變導致界面處產(chǎn)生內(nèi)應力，進而導致結(jié)構發(fā)生彎曲變形等響應�；趹兪湓�，通過預設的材料部署（例如將兩種具有不同熱膨脹系數(shù)或溶脹率的材料粘合），可以實現(xiàn)具有主動變形能力和可控響應特性的超結(jié)構（如圖2）。第三種是力學失穩(wěn)原理，包含了微觀和宏觀的結(jié)構失穩(wěn)兩個層面。在微結(jié)構層面，材料被認為是幾種相的結(jié)合，其中均勻線彈性相具有正定模量，而非正定彈性模量相具有負剛度，這些成分由于相互約束而暫時穩(wěn)定。根據(jù)勢能最小原理，微結(jié)構材料將按照能量最小的順序排列，具有非凸能勢的材料會跳過均勻變形，迅速躍遷到低勢能的位置，表現(xiàn)出相轉(zhuǎn)換、疇變、應變局部化等宏觀不穩(wěn)定性。因此，基于材料失穩(wěn)的超結(jié)構設計的核心是控制加載過程中材料最小勢能點的數(shù)量和最小勢能點出現(xiàn)的時間。在宏觀結(jié)構層面，力學不穩(wěn)定表現(xiàn)為屈曲、扭曲、起皺、折疊、壓痕等，這些大變形和旋轉(zhuǎn)導致結(jié)構的模式轉(zhuǎn)換。基于力學失穩(wěn)設計的AMMs如圖3所示。

圖2 基于應變失配原理的智能驅(qū)動力學超結(jié)構

圖3 基于力學失穩(wěn)原理的智能驅(qū)動力學超結(jié)構

  除了力學構筑原理，外激勵物理場的可控性和高效性也是AMMs設計的重要依據(jù)。

  （1）熱驅(qū)動型AMMs，常用的材料包括形狀記憶聚合物或合金、過度金屬氧化物、熱響應液晶彈性體和熱響應水凝膠等，由于其控制手段簡便而被應用得最為廣泛。如圖4(a)所示，結(jié)合手性構型和形狀記憶聚合物，研究人員開發(fā)出了力學性能可調(diào)節(jié)、變形可恢復的智能超結(jié)構；圖4(c)展示了一種多材料水凝膠血管支架，能夠在人體內(nèi)進行受控的藥物輸運和藥物釋放；如圖4(f)則是一種能夠通過環(huán)境溫度調(diào)節(jié)其力學性能的折紙結(jié)構。實際上，后面幾類基于電熱、光熱和磁熱原理的AMMs，本質(zhì)上都屬于熱驅(qū)動型。

  （2）化學驅(qū)動型AMMs主要基于結(jié)構與環(huán)境之間的化學反應，取材非常廣泛，如化學響應水凝膠、金屬離子、化學活性聚合物等。其驅(qū)動策略是將化學響應材料置于如水、酸、有機或離子溶劑等液體環(huán)境中，通過結(jié)構設計，讓AMMs在受到外部化學刺激時呈現(xiàn)出可控變形�；瘜W驅(qū)動型AMMs具有控制精確和響應靈敏的特點，適用于各種微型系統(tǒng)。

  （3）光驅(qū)動型AMMs是通過在聚合物網(wǎng)絡中混合光響應官能團作為分子開關或光熱轉(zhuǎn)換劑來實現(xiàn)的，大致可分為光化學反應和光熱反應。受到外部光源的刺激，光響應組分發(fā)生變形，從而引發(fā)整體結(jié)構在宏觀尺度上的變化。如圖5(f)所示，研究人員結(jié)合剪紙結(jié)構和光響應液晶聚合物網(wǎng)絡設計了一種能夠在光源的引導下完成滾動、轉(zhuǎn)向和爬坡等動作的棘輪形機器人。

  （4）電驅(qū)動型AMMs也可以分為兩大類。第一種是利用導體中電流產(chǎn)生的熱能來驅(qū)動機械變形，仍然屬于熱驅(qū)動。代表性的是基于電熱效應的導電形狀記憶聚合物和合金。另一種類型的電響應AMMs則是將外部電刺激轉(zhuǎn)化為物理或化學反應，如電化學響應材料、電活性聚合物、介電彈性體和離子聚合物-金屬復合材料等。電驅(qū)動型AMMs應用方便，但目前大多數(shù)產(chǎn)品都需要接線工作，這是制約其發(fā)展的因素之一。

  （5）磁驅(qū)動型AMMs是目前最熱門的智能超結(jié)構之一，由于其響應靈敏、遠程控制、安全無害等優(yōu)點受到了研究人員的青睞。代表性的有將磁性顆粒和軟材料基體混合制備的磁軟材料。其中，以羰基鐵、四氧化三鐵為代表的軟磁性顆粒具有較小矯頑力和低剩磁，難以保持磁化方向，但因其制備和應用相對簡單而被廣泛應用；以釹鐵硼為代表的硬磁性顆粒具有較大的矯頑力和高剩磁，經(jīng)過磁化后能夠保持磁化方向，從而被外部磁場精確地驅(qū)動，因此適用于對控制精度要求更高的場景。如圖6所示，結(jié)合力學超結(jié)構構型，研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種磁驅(qū)動型AMMs。

  （6）壓力驅(qū)動型AMMs使用便捷，近年來也受到了大量關注。只要在軟材質(zhì)基體內(nèi)設置通道或空腔，并通過充放流體的方式控制壓力，就能夠改變超結(jié)構的形狀或使其產(chǎn)生動作。但是這種方式也有控制精度較差、流體通道不可缺少等問題，難以運用到精密系統(tǒng)中�？偟膩碚f，根據(jù)不同的使用場景選擇合適的刺激響應材料，能夠更好地發(fā)揮AMMs的力學特性和智能驅(qū)動特性。

圖4 熱驅(qū)動型智能驅(qū)動力學超結(jié)構

圖5 光驅(qū)動型智能驅(qū)動力學超結(jié)構

圖6 磁驅(qū)動型智能驅(qū)動力學超結(jié)構

  論文還總結(jié)了AMMs在各種領域的用途：有以爬行和游泳微型機器人為代表的智能機器人領域；包含微流控系統(tǒng)、微型驅(qū)動器、超疏水表面、柔性電池在內(nèi)的各種微型化系統(tǒng)；包括智能抗沖擊結(jié)構、智能隱身斗篷、力學聲學和電磁隱身設備、智能天線在內(nèi)的工程機械領域；包括柔性電子、仿生皮膚等人工組織結(jié)構、血管支架、靶向運輸載體等在內(nèi)的生物醫(yī)學領域。AMMs在這些領域都發(fā)揮著重要的作用，并且具有非常廣闊的應用前景。隨著力學和材料學的不斷發(fā)展，未來將出現(xiàn)更多的新型智能驅(qū)動力學超結(jié)構，為生產(chǎn)生活提供動力。

  該綜述文章以Recent Progress in Active Mechanical Metamaterials and Construction Principles為題發(fā)表在Advanced Science上。在北京理工大學方岱寧院士的指導下，博士研究生齊驥翔為本文的第一作者，李營教授和陶然副教授為本文的共同通訊作者。方岱寧院士團隊的爆炸毀傷與先進防護結(jié)構小組成立于2017年，主要從事先進防護材料與結(jié)構設計，智能力學超結(jié)構設計制造等研究。本文通訊作者李營教授主要從事爆炸沖擊與多功能防護設計、力學超結(jié)構設計和制造等研究，擔任爆炸科學與技術國家重點實驗室研究部主任，中國力學學會水中爆炸動力學組副組長、航天材料標準委員會委員等職務，獲國家萬人計劃青年拔尖人才、中國科協(xié)青年托舉人才、學會優(yōu)秀博士論文等等。通訊作者陶然副教授主要從事高性能復合材料，智能復合材料結(jié)構的制造工藝、力學設計和實現(xiàn)等技術研究。

  課題組招收力學、復合材料、兵器、機械、船舶等學科博士后，待遇從優(yōu)，可面談。郵箱bitliying@bit.edu.cn。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202102662