可以重新编程的新超材料功能机械性能

时间：2021-12-16 11:52:05 来源：

在过去的20年中，科学家一直在开发超自然材料，即不是自然产生的材料，其机械性能是由其设计的结构而不是其化学组成决定的。它们使研究人员可以创建具有特定属性和形状的材料。超材料仍然没有广泛用于日常物品中，但是这种情况很快就会改变。Tian Chen是两个EPFL实验室（由Pedro Reis领导的挠性结构实验室和由Mark Pauly领导的几何计算实验室）的博士后工作，进一步推动了超材料的发展，开发了一种可以在机械加工后重新编程其机械性能的材料。材料已制成。他的研究发表在自然上。

具有多种机械功能的单一材料

Chen说：“我想知道是否有一种方法可以在创建材料后更改其内部几何结构。”“我们的想法是开发一种可以显示一系列物理特性（例如刚度和强度）的材料，这样就不必每次都更换材料。例如，当您扭动脚踝时，最初必须穿上坚硬的夹板才能将脚踝固定到位。然后，在恢复时，您可以切换到更灵活的一种。今天，您必须更换整个夹板，但希望有一天，一种材料可以同时发挥两种功能。”

硅磁粉

Chen的超材料由硅和磁性粉末制成，结构复杂，可以改变机械性能。结构中的每个单元的行为都像一个电子开关。“您可以通过施加磁场来激活和停用单个细胞。这改变了超材料的内部状态，从而改变了其机械性能。” Chen说。他解释说，他的可编程材料类似于硬盘驱动器之类的计算机设备。这些设备包含可以实时写入和读取的数据位。他的可编程超材料中的单元（称为m位）就像硬盘驱动器中的位一样工作—可以打开它们，使材料变硬或关闭，从而使其更灵活。研究人员可以对开和关的各种组合进行编程，以使材料在任何给定时间准确地具有所需的机械性能。

为了开发他的材料，Chen借鉴了计算机科学和机械工程学的方法。保利说：“这就是使他的项目如此特别的原因。”Chen还花费了大量时间在每个不同的状态下测试他的材料。他发现可以对它进行编程以实现各种程度的刚度，变形和强度。

许多研究视野

可编程超材料类似于采用复杂，耗能大的电子机制的机器（例如机器人）。通过研究，Chen的目标是在静态材料和机器之间找到适当的平衡。Reis认为使用Chen的技术有进一步研究的巨大潜力。Reis说：“我们可以设计一种用于创建3D结构的方法，因为到目前为止，我们所做的仅是2D的。”“或者我们可以缩小规模以制造更小的超材料。”Chen的发现标志着向前迈出了根本性的一步，因为这是科学家们首次开发出真正可重编程的机械超材料。它为研究和尖端工业应用开辟了许多激动人心的途径。

参考：Tian Chen，Mark Pauly和Pedro M. Reis撰写的“具有稳定记忆力的可重编程机械超材料”，2021年1月20日，自然。DOI：
10.1038 / s41586-020-03123-5

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