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中國科大龔興龍團(tuán)隊Compos. Part B-Eng.： “潛意識觸發(fā)”的人體防御策略-仿生雙穩(wěn)態(tài)Kirigami結(jié)構(gòu)智能關(guān)節(jié)
2024-04-06  來源：高分子科技

  Kirigami（剪紙藝術(shù)）是一門古老的藝術(shù)，通過巧妙地切割和操縱一張紙，可以創(chuàng)造出迷人的裝飾品。目前，這種藝術(shù)形式已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一種設(shè)計和制造框架，能夠創(chuàng)造不同規(guī)模的多功能材料和結(jié)構(gòu)。通過巧妙地設(shè)計幾何狹縫，簡單的二維薄板可以在外界刺激下轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，具有獨特的可編程力學(xué)性能。許多基于Kirigami的可穿戴電子器件忽視了動態(tài)力學(xué)性能設(shè)計的重要性，針對動態(tài)沖擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)研究較少。隨著人們安全意識的不斷提高，對可穿戴防護(hù)設(shè)備的需求也隨之增加。在一些研究中，Kirigami結(jié)構(gòu)被證明是抗沖擊設(shè)計的理想選擇。然而，目前應(yīng)用于抗沖擊領(lǐng)域的Kirigami結(jié)構(gòu)往往為剛性結(jié)構(gòu)，這與可穿戴設(shè)備設(shè)計中對柔性和適應(yīng)性的要求是背道而馳的。


  為了解決這一矛盾，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)龔興龍團(tuán)隊受自然界中穿山甲防護(hù)策略的啟發(fā)，將Kevlar、導(dǎo)電剪切變硬彈性體（c-SSE）和PET結(jié)合在一起，基于Kirigami結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一種柔性智能復(fù)合材料（Kiri-Kevlar）。Kiri-Kevlar具有優(yōu)異的力學(xué)性能，并且可以在2D和3D模式之間無縫轉(zhuǎn)換。3D結(jié)構(gòu)化Kiri-Kevlar的結(jié)構(gòu)剛度與c-SSE應(yīng)變率敏感特性協(xié)同作用，實現(xiàn)了高沖擊能量耗散功能。當(dāng)人體受到?jīng)_擊，身體的潛意識動作（如蜷曲或彎曲四肢），會迅速觸發(fā)Kiri-Kevlar的三維結(jié)構(gòu)激活，從而抵御沖擊。此外，可穿戴的Kiri-Kevlar可以基于其力-電耦合機(jī)制實現(xiàn)人機(jī)交互，為新一代智能防護(hù)設(shè)備提供了思路。相關(guān)研究成果以 “Subconsciousness-triggered” human body defensive strategy: Bi-stability intelligent joint with bionic kirigami structure 為題，發(fā)表在國際Top期刊Composites Part B: Engineering上。論文的第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院博士生周建宇，通訊作者為龔興龍教授、王勝副教授。 


圖1 摘要圖


  穿山甲是大自然創(chuàng)造高拉伸和抗沖擊結(jié)構(gòu)的一個杰出例子。其身體覆蓋著重疊的鱗片，當(dāng)受到威脅時，穿山甲會采取蜷曲的姿態(tài)。由于彎曲過程中外表面的拉伸應(yīng)力，鱗片向外張開，形如半開的松果。為了實現(xiàn)對于這種結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計，采用激光雕刻工藝在PET薄膜上蝕刻線條。這種方法在實際應(yīng)用中是通用且可定制化的。隨后，采用熱壓工藝將Kevlar、c-SSG和PET復(fù)合，在熱壓過程中，c-SSG與VMQ中的分子鏈發(fā)生交聯(lián)并硫化生成c-SSE。當(dāng)受到外部沖擊，個體的潛意識反應(yīng)促使人體迅速彎曲手臂，采取防御姿態(tài)以抵抗沖擊。Kiri-Kevlar的結(jié)構(gòu)可以隨著手臂的運(yùn)動而變形，從而瞬時提升抗沖擊性。Kiri-Kevlar還可以在各種變形模式下輸出信號，為智能傳感、人機(jī)交互等相關(guān)功能的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。 


圖2 Kiri-Kevlar制備工藝與結(jié)構(gòu)變形示意圖


  對于拉伸過程中Kiri-Kevlar的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并相應(yīng)構(gòu)建了不同結(jié)構(gòu)特征的有限元模型。與實驗中一致，在結(jié)構(gòu)單元的特征區(qū)域錨定特征點以跟蹤變形。在與實驗中相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，有限元模擬結(jié)果呈現(xiàn)出與實驗一致的結(jié)構(gòu)演化過程，并可以表征實驗中難以定量化測量的結(jié)構(gòu)變形值。變形的初始剛度與負(fù)泊松比可以通過結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行寬范圍調(diào)整。將有限元特征點軌跡與實驗跟蹤的軌跡進(jìn)行對比，兩者吻合較好。此外，Kiri-Kevlar在高應(yīng)變下的旋轉(zhuǎn)角度也可以通過解析模型預(yù)測。 


圖3 軸向載荷下Kiri-Kevlar的結(jié)構(gòu)演化研究


  當(dāng)Kiri-Kevlar受到?jīng)_擊時，其主要承受高應(yīng)變率的面外壓縮載荷。結(jié)構(gòu)剛度與高應(yīng)變率下的剪切變硬效應(yīng)協(xié)同作用增強(qiáng)了Kiri-Kevlar的抗沖擊性能。Kiri-Kevlar的變形程度取決于預(yù)應(yīng)變的大小，較高的應(yīng)變將導(dǎo)致更大程度的拉脹。另外，結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角越大，支撐反力在水平方向的分量越小，可以提供更有效的支撐。結(jié)構(gòu)程度越高的Kiri-Kevlar也展現(xiàn)出更高的結(jié)構(gòu)剛度。結(jié)構(gòu)化Kiri-Kevlar復(fù)合材料同樣也表現(xiàn)出顯著的剪切變硬效應(yīng)。此外，Kiri-Kevlar所具有的柔韌性使其可以很好地被裝配在非線性平面，具有良好的適應(yīng)性。 


圖4 Kiri-Kevlar在壓縮加載下的力學(xué)行為


  為研究三維結(jié)構(gòu)化Kiri-Kevlar在沖擊加載過程中的原位力耗散能力，搭建了預(yù)應(yīng)變耦合的沖擊實驗平臺。通過定制夾具施加預(yù)應(yīng)變來構(gòu)建穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)化Kiri-Kevlar。帶有加速度傳感器的錘頭垂直釋放，Kiri-Kevlar下方放置力傳感器，測量緩沖后的耗散后沖擊力。整個沖擊過程由安裝在側(cè)面的高速攝像機(jī)記錄。c-SSE的剪切變硬效果和Kiri-Kevlar結(jié)構(gòu)的剛度協(xié)同作用，起到了極好的沖擊力耗散的作用。在這項工作中，結(jié)構(gòu)化Kiri-Kevlar具有最低的面密度，同時沖擊力耗散能力遠(yuǎn)優(yōu)于常用防護(hù)材料。 


圖5 Kiri-Kevlar的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)研究


  探討了這種Kiri-Kevlar所具有的力-電耦合機(jī)制在可穿戴防護(hù)裝備發(fā)展中的潛力。在分壓電路中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以靈敏地捕捉Kiri-Kevlar的電阻信號變化，然后將這些信號傳輸?shù)?/span>LabVIEW程序中進(jìn)行處理，從而實現(xiàn)人機(jī)交互。舉例來說，Kiri-Kevlar可以被佩戴在雙臂上，并基于人體不同的運(yùn)動模態(tài)來控制游戲角色，使用者左手出拳會導(dǎo)致藍(lán)色角色出拳，右手出拳會導(dǎo)致紅色角色出拳。此外，基于穩(wěn)定的力-電耦合性能，Kiri-Kevlar有望被集成到更為復(fù)雜的可穿戴智能系統(tǒng)中，進(jìn)一步開發(fā)下一代智能抗沖擊可穿戴柔性電子器件。 


圖6 Kiri-Kevlar的力-電耦合研究與人機(jī)交互功能開發(fā)


  在本研究中，采用熱壓工藝開發(fā)了一種具有柔性Kirigami結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料（Kiri-Kevlar）。Kiri-Kevlar具有卓越的力學(xué)性能同時可以在2D和3D結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間可逆切換。當(dāng)人體面臨外部沖擊時，潛意識的反應(yīng)會導(dǎo)致個體蜷縮起來。這種瞬時反應(yīng)有效地觸發(fā)了Kiri-Kevlar的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。采用有限元法闡明了結(jié)構(gòu)變形演化規(guī)律，并可以對于初始剛度和泊松比進(jìn)行可編程設(shè)計。與穿山甲伸展鱗片類似的是，Kiri-Kevlar具有額外的結(jié)構(gòu)剛度，為使用者提供了出色的沖擊防護(hù)。此外，作為一種可穿戴電子設(shè)備，Kiri-Kevlar在不同載荷條件下表現(xiàn)出靈敏的電響應(yīng)特性。這種電信號可以被用于靈活地控制電腦游戲，驗證了其在人機(jī)交互領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，在未來的智能防護(hù)設(shè)備發(fā)展中具有廣闊前景。


  原文鏈接：

  Jianyu Zhou, Mei Liu, Sheng Wang, Junshuo Zhang, Mingyang Ni, Shuai Liu, Yu Wang, Huaxia Deng, Bing Liu, Xinglong Gong. “Subconsciousness-triggered” human body defensive strategy: Bi-stability intelligent joint with bionic kirigami structure. Composites Part B: Engineering 2024, 277, 111368. DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111368

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111368

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