來(lái)源:高分子科技
大部分智能穿戴材料通過(guò)集成電子元件和感應(yīng)器來(lái)達(dá)到測(cè)量和通訊的目的。然而,,這些穿戴材料的力學(xué)特性在制造以后通常是不可變的�,?煽貏偠瓤椢镌谲浀臓顟B(tài)下可以作為柔性的可穿戴材料,,變硬以后能夠起到保護(hù)和支撐作用。這種先進(jìn)材料可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器件,,外骨骼設(shè)備,,機(jī)器人等領(lǐng)域中。
8月11日,,美國(guó)加州理工學(xué)院Chiara Daraio教授和新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械航空學(xué)院王一凡教授合作在頂級(jí)綜合期刊《Nature》上發(fā)表了一種基于拓?fù)浠ユi顆粒材料的可3D打印智能織物,。該織物由古代的鏈甲(鎖子甲)啟發(fā),由三維結(jié)構(gòu)顆粒之間的拓?fù)浠ユi連接而成,。將該織物封裝進(jìn)柔性氣囊并加負(fù)壓后,,互鎖顆粒之間的接觸點(diǎn)數(shù)急劇增加形成阻塞相變(jamming transition),大幅提高織物的剛度和強(qiáng)度,。南洋理工大學(xué)王一凡助理教授(原加州理工博士后)和加州理工博士生李柳池為論文共同一作,,加州理工學(xué)院Chiara Daraio教授為論文通訊作者。
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2021-8-12 22:13 上傳
圖一 拓?fù)浠ユi智能織物的示意圖以及剛度的控制
如圖一所示,,設(shè)計(jì)好的智能織物由中空的正八邊形顆粒組成,,并可以用激光燒熔打印技術(shù)(SelectedLaser Sintering)將整張織物一次打印。由于顆粒中空的架構(gòu),,整張織物密度很�,。▇0.2g/cm3),與傳統(tǒng)織物類似,,并且相當(dāng)柔軟,。當(dāng)織物封裝于柔性氣囊并加負(fù)壓后,剛度增加25倍以上并能承受大于本身50倍的重量,。
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圖二 不同顆粒架構(gòu)形成的織物彎曲剛度和顆粒接觸點(diǎn)數(shù)的關(guān)系,。
除了正八邊形的架構(gòu),該課題組還研究了不同的顆粒架構(gòu)對(duì)織物整體剛度的影響(圖二),。在將來(lái)可以通過(guò)對(duì)顆粒幾何形狀的拓?fù)鋬?yōu)化或者機(jī)器學(xué)習(xí),,來(lái)達(dá)到最大化該織物剛度的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。
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圖三 織物的形狀可重構(gòu),,可調(diào)節(jié)沖擊保護(hù),,以及不同尺度下的應(yīng)用。
視頻一 織物在柔性狀態(tài)下的沖擊吸能效果,。
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視頻二 織物在剛性狀態(tài)下的抗沖擊效果,。
動(dòng)畫(huà)3.gif (1.84 MB, 下載次數(shù): 69)
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在可調(diào)節(jié)剛度以外,該智能織物還有形狀重構(gòu)的優(yōu)點(diǎn):在柔性狀態(tài)下可以調(diào)整成隨意形狀,,然后通過(guò)阻塞相變固定在該形狀 (圖三),。同時(shí)該織物在不同剛度下還具備可控的抗沖擊效果,,對(duì)于防護(hù)穿戴設(shè)備(如防彈衣等)有廣泛應(yīng)用(視頻一,二),。在更大的尺度上,,該織物還可以用來(lái)做成可重構(gòu)的建筑材料,如可重構(gòu)房屋,,橋梁等,。為了增加結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度,該團(tuán)隊(duì)還完成了織物的金屬打�,。ㄈ玟X合金),。
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