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  近年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，一部分人工材料/結(jié)構(gòu)在受到外部刺激時能夠像自然界的生物一樣改變自身的幾何結(jié)構(gòu)，來適應(yīng)外部環(huán)境的變化，這一類材料和結(jié)構(gòu)被稱為“可變形物質(zhì)（morphing matter）”。為了實現(xiàn)更加復雜可控的變形，廣大的研究者們采取了各種不同的材料和變形策略，其中包括折紙、剪紙或者一些軟性材料等，以實現(xiàn)局部材料曲率的變化，從而達到整體變形的效果。然而，這些策略不可避免地受到多重限制：（i）由于曲率分布高度不均勻且復雜，使用傳統(tǒng)材料系統(tǒng)實現(xiàn)平面到整個三維形狀的變形具有極大挑戰(zhàn)性；（ii）可行的目標表面范圍在很大程度上受到材料自身可容許應(yīng)變范圍的制約；（iii）要編程的材料必須具備柔性或可拉伸性，從而導致變形結(jié)構(gòu)的力學性能下降。

創(chuàng)新點

  1.與傳統(tǒng)的剪紙/折紙或軟材料實現(xiàn)變形的方法不同，本研究采用了層級鑲嵌拆分的方式，將復雜的三維曲面分解成離散的顆粒，通過顆粒的組裝和拆卸，成功實現(xiàn)了從平面到復雜三維曲面的可逆轉(zhuǎn)變。

  2.與傳統(tǒng)的變形材料依賴其材料或結(jié)構(gòu)柔軟性不同，也有別于目前廣泛研究的點陣超材料，本研究提出的顆粒組裝變形物質(zhì)能夠通過調(diào)節(jié)顆粒的邊界約束，實時調(diào)整結(jié)構(gòu)的力學性能，并通過引入拓撲互鎖的顆粒結(jié)構(gòu)，進一步提升了結(jié)構(gòu)的剛度。

圖 1. 基于"層級鑲嵌"的三維結(jié)構(gòu)變形逆向設(shè)計框架示意圖

圖 2. 三個典型的三維結(jié)構(gòu)展示鑲嵌方法的普適性。

圖 3. 通過實驗測量和有限元分析確定變形結(jié)構(gòu)的力學性能。

圖 6. 利用電熱致動器實現(xiàn)形狀變形結(jié)構(gòu)的形狀轉(zhuǎn)換和剛度調(diào)節(jié)能力。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.11.002

通訊作者簡介

  新加坡南洋理工大學王一凡教授課題組長期致力于研究新型的3D打印技術(shù)以及功能化結(jié)構(gòu)材料，并開發(fā)其在軟體機器人領(lǐng)域和人體外骨骼領(lǐng)域的應(yīng)用（課題組主頁：https://www.yifanwangntu.com/）。王一凡教授于2020年至今擔任新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院南洋助理教授（Nanyang Assistant Professor, 為該校授予杰出青年教授的職位）。王教授于2017-2020年在加州理工學院機械與土木工程系從事博士后研究，2011-2016年在芝加哥大學物理系獲得物理學博士學位，2007-2011年于北京大學物理系獲得物理學士學位。王教授已在領(lǐng)域內(nèi)頂級期刊發(fā)表多篇重要文章，其中包括Nature、Physical Review Letters、Nature Materials、Matter、ACS Nano、Advanced Materials、Small、Extreme Mechanics Letters等。課題組長期招收軟體機器人以及超材料相關(guān)的博士生，博士后以及訪問學者（請聯(lián)系：Yifan Wang，yifan.wang@ntu.edu.sg）。離散結(jié)構(gòu)化超材料以及其在軟體機器人領(lǐng)域的應(yīng)用的研究才剛剛開始，星辰大海是我們的征途，希望更多有志向的年輕人加入這個有趣的方向，一起書寫新的篇章。