超快速可重构力学超材料诞生,变形金刚要走进生活了？

在电影里，我们经常看见变形金刚可以从一辆车或一架飞机，摇身一变成为人形机器人。类似的，未来的飞机和智能机器人，为了适应不同的任务和环境，也需要变化外形或者转换性能。那么想要实现这个目标，我们在材料方面还需要走一大步，但如今我们已经一步步靠近这个目标了，尤其是超快可重构力学超材料的诞生，让变形金刚出现在现实世界不再是幻想。

北航团队研究出超快可重构力学超材料，有望用于变体飞行器等领域

北京航空航天大学潘飞副教授和所在团队，专门研究可用于航空航天、智能装备等领域的材料和结构。近年来，他们瞄准形状可变、性能可调的新型材料和结构，尝试从力学研究者的角度，提出一些潜在可行的解决方案。

为何选择力学超材料为研究中切入点？

所谓力学超材料，是指通过人为设计材料的微结构（或曰基本单元），来实现一些天然材料无法实现的新奇特性，例如一压就扭的“压扭超材料”。更为关键的是，通过对基本单元的力学设计，能在完成材料加工之后，对性能进行定制化的调节。

为了实现材料形状和性能的调节，潘飞所在团队主要关注的是以双稳态结构为代表的基本单元。

事实上，生活中有很多这样的双稳态结构，比如发卡、开关、自行车脚架等等。这种单元通常拥有两个稳定的状态，对应着两个不同的形状或性能。对于这两个稳态来说，无需持续能量输入它们就能自动维持在某一种状态，并能在一定的外部激励下，反复进行相互切换。由此可见这是一种典型的低功耗方案，只在调节形状和性能的时候耗能，而维持所需的状态时不耗能。

利用这些双稳态结构，潘飞等人致力于让力学超材料的形状和性能，能够做到变化大、变化多、变化准、变化快。“变化大”，即不同状态的形状或性能有足够大的差异，“变化多”，即需要一个极大的可调节空间，“变化准”是在面对任意目标时都得能够进行精准调节，能够“指哪打哪”，“变化快”就是调节的速度必须要快。

超快可重构力学超材料的诞生

在最近一项研究工作中，针对“变化大”和“变化快”的问题，该课题组取得了一定进展，即让材料在两个形状差异较大的状态之间进行切换，并实现了较快的切换速度。

具体来说，他们设计出了一种超快可重构的力学超材料，其中二维和三维的超材料，能分别达到 25.38 倍面积/秒，以及 101.14 倍体积/秒的变化率。利用奇异大变形的双稳态单元，该团队实现了超材料形状的快速重构，为超材料变形速度的提高提供了新思路。预计在快速变形机器人、变体飞行器等领域，上述材料具备一定的潜在应用前景。

不过潘飞坦言“如果要用到具体的场景上，还有一些问题需要解决，比如如何实现自动快速的展开，只有这样才能实现真正的‘想怎么变就怎么变’。”

日前，相关论文以《基于预应力双稳态壳的超快形状可重构手性力学超材料》（Ultrafast Shape-Reconfigurable Chiral Mechanical Metamaterial based on Prestressed Bistable Shells）为题发在 Advanced Functional Materials 上 [1]，博士生刘易哲是第一作者，潘飞和北航陈玉丽教授担任共同通讯作者。

顶刊论文竟是从童年玩具“拍拍手环”得来！

本次工作的立项来源可谓十分偶然，它受到了一款童年玩具“拍拍手环”的启发。

潘飞说在一次在逛玩具店的时候，意外发现了这种玩具。它具有两个稳定的形状，一个是平坦展开的形状，一个是卷成一个圈的形状，这正是一个典型的双稳态结构。“啪”地一声，它就能以极快的速度从平坦状态卷在手腕上。这么快的响应速度和这么大的变形幅度，让潘飞觉得很有研究价值。

回到课题组，他便带着师弟开始琢磨：这么简单的玩具是如何实现双稳态和快速切换的？它的这些特点是否能帮助他们解决超材料“变化大”和“变化快”的问题？

于是，他们从网上买来一些拍拍手环，把它们剪开之后，发现里面有一段从钢圈尺上截下来的金属片，甚至连钢圈尺上的刻度都还在。但是钢圈尺是没有双稳态的。按照所找资料的介绍，只需要把钢卷尺沿着两个方向使劲弯一弯，就可以变成拍拍手环。

接下来，仔细阅读文献，他们弄清楚了金属片双稳态的来源。从学术角度来讲，拍拍手环应该叫预应力金属壳，更严谨地讲应该叫非欧几里得壳。

简单来说，正是由于“使劲弯一弯”引起的塑性变形，导致钢圈尺里留下了一定的残余应力，从而改变了内部的应力平衡，让其在不受外部约束和载荷的情况下，仍然具有两个平衡稳定构型。

而以上过程，只能算是研究团队和跟本次课题的“初次见面”。历时许久，直到超材料构型确定下来，才算课题真正确定下来。

研究过程并不一帆风顺

一般的结构构筑方式，并不适用于这种结构。以弹簧等其他轴向伸长缩短的基本单元为例，利用井字格排列等简单方法就能把超材料构造出来。

但是，拍拍手环的不同之处在于，它是从一个长片卷起来的。卷起来的过程中，它自己和自己还会有接触，只有这样才能确保它的一头会被包在卷内部。

如何解决构造的问题，让这个课题一直停滞不前。后来， 潘飞在另一个课题里做手性蜂窝结构的时候，偶然发现了一种有效的构筑方式。

他说：“我发现拍拍手环的这种卷起来的变形，居然跟手性蜂窝是协调的！只需要在收缩的时候，让它们都卷在手性蜂窝的圆柱形中心上就行。”

这一转折点过后，课题很快得以立项。随后，他们结合手性蜂窝和预应力壳，设计出一系列的二维和三维超材料，让初步概念和思路得以形成。

结合实验观察和有限元仿真，课题组建立了预应力壳收缩的动力学模型，从而实现收缩速度的有效计算，也让他们可以更方便地进行参数研究，进而指导加工工艺的进行。

之后，又对预应力壳和超材料的静力学和动力学特征进行实验性描述，并完成了演示样品的制作以及应用 demo 的展示。

其他关于重构力学超材料的研究

1、4D制备可重构的拉胀力学超材料

2023年2月，打印哈尔滨工业大学冷劲松院士课题组在《Matter》上发表题为“4D Printed Programmable Soft Network with Fractal Design and Adjustable Hydrophobic Performance”的文章。

研究团队首先受分形几何概念启发，将含多级微结构的弯曲韧带引入超材料中并结合4D打印技术，制备了具有力学性能（非线性应力-应变行为、泊松比）可调节、可编程和可重构的拉胀力学超材料。

超材料的微结构由两条相同圆弧状组成，具备旋转对称特性，含二级结

构的微韧带是通过将2n（n=1, 2, 4, 6）个一级结构等比缩小并按照一级结构几何形状首尾相连构成。三级微韧带以同样的构造原理构造。最终，将具有多级微结构的微韧带组装成手性超材料单元。通过建立几何参数（ω/l, n, N, t/l,和θ）与宏观力学性能之间的关系，揭示了超材料非线性力学行为的机理，实现了通过几何参数对超材料非线性力学行为的调控和超材料力学行为的重编程和可重构性。

随后，研究团队将受荷叶表面超疏水微结构启发的含柱状微结构表面的电极膜与4D打印分形超材料骨架，集成为多层结构的柔性形状记忆可重构电容式压力传感器（如图2所示）。其具备力学性能和电学性能可重构性的同时实现了高灵敏度以及对检测位点的高顺应性。经实验证实，相比平面电极其信噪比(SNR)和灵敏度(S)分别实现了≈10倍和≈4倍的提升（如图3所示）。突破了柔性传感器性能在制造后不能随环境变化或功能需求调节的局限。为适应被检测组织、皮肤和器官的力学性能的多样性需求，提供了解决方案，在植入式医疗设备、可穿戴电子设备、人机交互、软机器人等领域有良好的科研价值和广阔的应用前景。

2、国外对可重构超材料的研究

2020年12月，美国陆军和麻省理工学院（MIT）研究出一种连接超材料的新方法，能够制造可重构结构。该方法由美国陆军和麻省理工学院比特与原子研究中心的科学家共同开发，使用类似于乐高的离散晶格系统连接具有独特力学性能的材料，开发具有可重构能力的结构。

该结构具有强适应性、可重构性和弹性，采用经济高效的注塑成型工艺和网格连接方式来快速组装宏观结构，使用的材料包括刚性材料、柔顺性材料、膨胀性材料和手性材料等类型。

该技术为制造可重构机器人开辟了可能性。例如，一群机器人通过连接重组，形成桥梁，以便部队过河，这将大幅提高部队和装备的军事机动性和生存能力。

研究团队还将探索将增材制造用于该结构制造的可行性。