記者9月12日從國防科技大學(xué)獲悉，該校的研究者們提出一種原創(chuàng)性的智能超材料設(shè)計方法，實(shí)現(xiàn)了金屬基材料剛度和形狀的大范圍、連續(xù)、快速調(diào)節(jié)，具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。

相關(guān)研究作為8月封面文章近日發(fā)表于《自然—材料》，并被《自然》評為今年6月全球重要科技進(jìn)展（全球共4項(xiàng)）。

齒輪簇實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能調(diào)節(jié)

近年來，智能材料廣受關(guān)注，它是智能裝備與結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。材料彈性的調(diào)節(jié)對于智能機(jī)器、機(jī)器人、飛機(jī)和其他系統(tǒng)非常必要。然而，常規(guī)材料一旦制備，特性就幾乎不能改變，部分材料在高溫相變時才能呈現(xiàn)一定的調(diào)節(jié)性，但不具備工程實(shí)際可操作性。

“機(jī)械/力學(xué)超材料是具有超出常規(guī)材料力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)功能材料，為高性能裝備設(shè)計提供了前沿技術(shù)支撐，但傳統(tǒng)超材料設(shè)計方法依然無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的參數(shù)控制，需要顛覆性設(shè)計思維才能突破該瓶頸。”該校智能科學(xué)學(xué)院振動與噪聲控制研究團(tuán)隊(duì)帶頭人、論文共同通訊作者溫激鴻表示。

“限制力學(xué)超材料實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)節(jié)的根本原因在于傳統(tǒng)超材料的設(shè)計都遵循同一種模式，即將梁、桿、板等單功能的承載基元用固定或屈曲結(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成確定性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種模式下，當(dāng)受到應(yīng)力、熱或電磁場的刺激時，超材料會因?yàn)榍蛐D(zhuǎn)鉸鏈而發(fā)生重構(gòu)，從而改變剛度，同時會造成塑性變形且變化不連續(xù)，調(diào)節(jié)過程十分困難?！闭撐牡谝蛔髡呒婀餐ㄓ嵶髡?、研究團(tuán)隊(duì)副研究員方鑫說。

為解決這個難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了基于多功能動態(tài)基元和易變—牢固耦合模式的智能可編程機(jī)械/力學(xué)超材料設(shè)計范式，設(shè)計了系列基于齒輪的智能超材料，突破了宏觀與微觀、金屬基和復(fù)合材料基超材料的集成一體化制造和集成驅(qū)動技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了金屬基材料的大范圍、連續(xù)、快速調(diào)節(jié)。

通俗地說，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計了一個由齒輪制成的智能材料，它可以根據(jù)不同的“命令”，在齒輪旋轉(zhuǎn)時，使堅固的材料變得更堅硬/更柔軟或變形。

“這是一種前所未有的設(shè)計方法?！狈仅伪硎荆烧{(diào)性能夠通過組裝具有內(nèi)置剛度梯度的元件實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能可調(diào)但堅固的固體，需要確保在大作用力下的可調(diào)性和強(qiáng)耦合（可靠連接），同時避免在調(diào)整時發(fā)生塑性變形?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，這種可變而又強(qiáng)的耦合可以通過齒輪簇實(shí)現(xiàn)?！?/p>

方鑫透露，除了嘗試以齒輪作為基元外，團(tuán)隊(duì)還嘗試過很多其他構(gòu)型，比如廣泛關(guān)注的折紙構(gòu)型、各類彈性屈曲構(gòu)型、雙穩(wěn)態(tài)/多穩(wěn)態(tài)構(gòu)型，但都無法實(shí)現(xiàn)他們想要的這種調(diào)控特性。

為什么是齒輪簇？“可靠的齒輪嚙合可以平穩(wěn)地傳遞旋轉(zhuǎn)和沉重的壓縮載荷?！狈仅握f，剛度梯度可以內(nèi)置到單獨(dú)的齒輪體中，也可以通過分層齒輪組件實(shí)現(xiàn)。齒輪組可以組裝成單元組，而單元做恰當(dāng)排列就可形成超材料。

從太極圖中獲取內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計靈感

既然齒輪是可被利用的元件，那它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)該如何設(shè)計？

超材料的可調(diào)性取決于其內(nèi)置中空部分的形狀?！跋胍獙?shí)現(xiàn)可調(diào)但堅固的材料，需要確保在大作用力下的可調(diào)性和魯棒可控性，同時避免調(diào)諧中塑性變形?！狈仅伪硎荆诒姸嘣O(shè)計方案中，團(tuán)隊(duì)從太極圖中獲取靈感，最終設(shè)計了形似太極圖的齒輪，其形狀以螺旋方向?yàn)樘卣鳎梢蕴峁┢交淖兓蜆O性。

“太極圖的靈感是從中國傳統(tǒng)文化中獲得的。當(dāng)時我在用筆構(gòu)思各種簡單大氣又有用的形狀，腦子里突然閃現(xiàn)《易經(jīng)》中‘兩儀生四象，四象生八卦’這句話，隨之就想起了太極圖。因?yàn)樘珮O的核心思想就是‘變化’，而我們想要的材料特性也是‘變’。”方鑫說，“引入太極理念后，我們設(shè)計的構(gòu)型具有正極性和負(fù)極性，提供了一個很好的設(shè)計維度?！?/p>

在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)使用緊密耦合的周期齒輪和兩個格子框架（前和后）將齒輪排列成簡單的圖案，外部形成兩個彈性臂，其徑向厚度隨旋轉(zhuǎn)角度θ平滑變化。在壓縮載荷作用下，臂部的變形以彎曲為主。

“任何兩個嚙合齒輪的自轉(zhuǎn)方向都是相反的。正面和背面太極圖案的螺旋方向是相反的。因此，一對齒輪的嚙合模式有兩極。當(dāng)圖案的螺旋方向相反時，極性為正，反之則具有負(fù)極性?！狈仅握f。

為了驗(yàn)證這一構(gòu)想，團(tuán)隊(duì)采用投影顯微立體光刻3D打印技術(shù)制作了5行6列的太極齒輪組成的集成微型超材料。太極齒輪的直徑和齒厚分別為3.6毫米和235微米，最粗的臂為75微米。樣品由楊氏模量為3.5GPa的光敏樹脂制成。

“這種微型試件的等效模量Ey（θ）可以平滑地調(diào)整35倍（從8.3MPa到295MPa）。用金屬材料制備的樣品調(diào)節(jié)范圍則可達(dá)到75倍?！狈仅握f，這意味著即使是在微尺度上，基于齒輪的集成超材料也可以通過三維打印直接制造。這種集成制造的主要挑戰(zhàn)是確保嚙合齒不會融合在一起，但仍能有效地參與嚙合。

旋轉(zhuǎn)變速器行星齒輪即可“變身”

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計的第一種超材料僅在壓縮載荷下可調(diào)?！拔覀兤谕业揭环N設(shè)計方法，使其壓縮模量和拉伸模量均可調(diào)，同時保持結(jié)構(gòu)完整性?！狈仅谓榻B，團(tuán)隊(duì)探索發(fā)現(xiàn)，這可以通過將行星齒輪系統(tǒng)組織為元胞來實(shí)現(xiàn)。團(tuán)隊(duì)使用行星齒輪簇創(chuàng)建了一個層次分明的超材料，其可調(diào)性來自元胞內(nèi)齒輪的相對旋轉(zhuǎn)。

“我們設(shè)計的行星齒輪超材料的變剛度來自每個行星齒輪內(nèi)部。齒輪環(huán)產(chǎn)生彈性彎曲變形，其內(nèi)部的行星齒輪是齒環(huán)變形的支點(diǎn)，通過旋轉(zhuǎn)行星齒輪改變齒輪環(huán)的位置就可以改變它的變形剛度，從而對超材料參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)?！狈仅握f，對于組裝的超材料，所有的太陽齒輪通過軸連接到傳遞轉(zhuǎn)動的齒輪上，這些傳動齒輪緊湊地耦合在一起。因此，只需要旋轉(zhuǎn)其中的幾個傳動齒輪就可以實(shí)現(xiàn)對所有元素的重新配置和調(diào)節(jié)。

“有趣的是，我們設(shè)計的超材料可在很大的壓縮力下保持穩(wěn)定，并在剪切時顯示出較大的剛度。支撐穩(wěn)定性的因素之一是一種齒輪組的自鎖機(jī)制，另一因素則是輪齒的咬合力?！狈仅伪硎?。

該團(tuán)隊(duì)提出了幾個可展示齒輪基超材料廣泛應(yīng)用潛力的場景?！皩τ跈C(jī)器人，可調(diào)剛度腿/執(zhí)行器能夠提供高剛度以在行走時穩(wěn)定支撐重物，低剛度則在跳躍或跑步時提供減震保護(hù)。航空發(fā)動機(jī)掛架系統(tǒng)中需要類似的可調(diào)剛度隔離器，以在不同飛行階段保持最佳性能和效率?！睖丶櫛硎?。

“人們還可以通過使用錐齒輪、將平面齒輪組裝成分層結(jié)構(gòu)或合成不同類型的齒輪來設(shè)想3D超材料，利用集成制造將這些可調(diào)特性連接起來，以生產(chǎn)堅固的多用途設(shè)備。以微型超材料為例，高分辨率和大規(guī)模的3D打印，使基于齒輪的超材料進(jìn)一步小型化和延伸成為可能。” 方鑫說。

《自然》審稿編輯認(rèn)為，這種基于齒輪的力學(xué)超材料是使機(jī)器部件實(shí)現(xiàn)剛度可調(diào)的同時保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)穩(wěn)定的可行途徑，比如通過使機(jī)器人的結(jié)構(gòu)變軟或變硬來更好地適應(yīng)跳躍和抓取物品等動作。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01269-3

（原標(biāo)題《從太極圖中獲取內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計靈感 超“聽話”的超材料誕生了》）