北理工團(tuán)隊(duì)在變剛度超材料研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-01-22 供稿：宇航學(xué)院 攝影：宇航學(xué)院
編輯：楊麗靜 審核：武志文 閱讀次數(shù)：
近期，北京理工大學(xué)軟物質(zhì)力學(xué)團(tuán)隊(duì)在力學(xué)超材料方面取得重要進(jìn)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(jí)期刊《Advanced Functional Materials》，并被選為當(dāng)期卷首論文（Frontispiece）。北京理工大學(xué)宇航學(xué)院2020級(jí)碩士研究生伊繼烜為論文第一作者，宇航學(xué)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(fù)雜，使得傳統(tǒng)材料難以滿足多變的設(shè)計(jì)需求。在這種背景下，可變剛度材料應(yīng)運(yùn)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(shí)現(xiàn)了特定的彈性應(yīng)變能存儲(chǔ)模式，進(jìn)一步實(shí)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(dòng)或刺激場(chǎng)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(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)的應(yīng)變能存儲(chǔ)模式，其實(shí)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(jì)的SVS超材料/超結(jié)構(gòu)，既能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的剛度變化，又能實(shí)現(xiàn)高承載。理論、仿真和實(shí)驗(yàn)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(jìn)入高剛度階段時(shí)，其承載能力可達(dá)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(jì)、傳力路徑及其增穩(wěn)機(jī)制
進(jìn)一步，基于該穩(wěn)定性增強(qiáng)的SVS超材料，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體關(guān)節(jié)的定制機(jī)械保護(hù)（如圖3）和遠(yuǎn)程機(jī)械輸入信號(hào)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(qiáng)SVS超材料/超結(jié)構(gòu)提供了有益的解決方案，并推動(dòng)了它們?cè)诤娇蘸教臁⑨t(yī)療器械和機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
圖3 基于自接觸變剛度超材料構(gòu)建的人體腕關(guān)節(jié)護(hù)具
圖4 基于自接觸變剛度超材料實(shí)現(xiàn)的力學(xué)-信息轉(zhuǎn)換功能
該研究得到了國家自然科學(xué)基金經(jīng)費(fèi)支持。
論文詳情：Yi J, Lyu R, Li Y, Wan C*, Zhang K*, 2025. Stability-Enhanced Variable Stiffness Metamaterial with Controllable Force-Transferring Path. Advanced Functional Materials 35, 2413789.
全文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202413789
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