南洋理工王一凡教授《Nature》：3D打印可控制剛度的智能穿戴材料

來源：高分子科技

大部分智能穿戴材料通過集成電子元件和感應(yīng)器來達到測量和通訊的目的。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和支撐作用。這種先進材料可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器件，外骨骼設(shè)備，機器人等領(lǐng)域中。

8月11日，美國加州理工學(xué)院Chiara Daraio教授和新加坡南洋理工大學(xué)機械航空學(xué)院王一凡教授合作在頂級綜合期刊《Nature》上發(fā)表了一種基于拓撲互鎖顆粒材料的可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)顆粒之間的拓撲互鎖連接而成。將該織物封裝進柔性氣囊并加負壓后，互鎖顆粒之間的接觸點數(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。

圖一  拓撲互鎖智能織物的示意圖以及剛度的控制

如圖一所示，設(shè)計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)，整張織物密度很小（~0.2g/cm3），與傳統(tǒng)織物類似，并且相當柔軟。當織物封裝于柔性氣囊并加負壓后，剛度增加25倍以上并能承受大于本身50倍的重量。

圖二 不同顆粒架構(gòu)形成的織物彎曲剛度和顆粒接觸點數(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)對織物整體剛度的影響（圖二）。在將來可以通過對顆粒幾何形狀的拓撲優(yōu)化或者機器學(xué)習(xí)，來達到最大化該織物剛度的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

圖三  織物的形狀可重構(gòu)，可調(diào)節(jié)沖擊保護，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。

視頻二 織物在剛性狀態(tài)下的抗沖擊效果。

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：在柔性狀態(tài)下可以調(diào)整成隨意形狀，然后通過阻塞相變固定在該形狀 （圖三）。同時該織物在不同剛度下還具備可控的抗沖擊效果，對于防護穿戴設(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)的剛度和強度，該團隊還完成了織物的金屬打印（如鋁合金）。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03698-7.pdf