北卡羅來納州立大學(xué)&耶魯大學(xué)：模塊化剪紙可編程超材料

供稿人：周艷麗、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近年來，古老的剪紙藝術(shù)在超材料領(lǐng)域被賦予了新的應(yīng)用價(jià)值。然而，由于切割單元平面連接的限制，大多數(shù)研究?jī)H限于具有特定形式的以及有限可重構(gòu)性的2D薄板剪紙超材料。北卡羅來納州立大學(xué)Jie Yin與耶魯大學(xué)Qiuting Zhang團(tuán)隊(duì)通過將材料切割成空間閉環(huán)連接的切割立方體，以創(chuàng)建一類具有可編程機(jī)械響應(yīng)的新型無挫折、可重構(gòu)和可拆卸的剪紙超材料。該研究極大地拓展了剪紙超材料從2D到3D的設(shè)計(jì)空間，為設(shè)計(jì)豐富的周期和準(zhǔn)周期超材料鋪平了新的道路。

在本文研究中，其基本模塊的制作過程和其拓展如圖1所示，對(duì)三維長(zhǎng)方體中引入了四個(gè)空間切面，通過彈性扭轉(zhuǎn)鉸鏈將長(zhǎng)方體分解為八個(gè)離散連接的相同立方體。每個(gè)立方體通過兩個(gè)正交線鉸鏈與兩個(gè)相鄰立方體連接，形成空間閉環(huán)。結(jié)構(gòu)允許立方體圍繞鉸鏈剛性旋轉(zhuǎn)以打開所有切口，然后擠壓以生成連接的薄壁立方體。由四個(gè)通過鉸鏈連接的剛性板組成的薄壁立方體可通過旋轉(zhuǎn)鉸鏈周圍的剛性壁面來進(jìn)行剪切，從而實(shí)現(xiàn)基于剛性和柔性的三個(gè)重構(gòu)路徑下的八種不同狀態(tài)模式。通過不同薄壁立方體的組合設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步演變?yōu)槌?1845個(gè)衍生基本模塊。

圖1 基于剛性和柔性模式的3D可轉(zhuǎn)換剪紙模塊

1D和2D模塊化超材料的可重構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。1D結(jié)構(gòu)給出了通過直接堆疊狀態(tài)4模塊和正交堆疊相同的狀態(tài)8模塊的設(shè)計(jì)。前者可通過剛體模式和柔性模式重新配置，后者若設(shè)置為所有方向一致的立方體，也可在軟剪切模式下重新配置。2D結(jié)構(gòu)由狀態(tài)4沿兩個(gè)正交方向與平面互補(bǔ)形狀進(jìn)行鑲嵌，形成周期性2D晶格狀材料。它顯示了恒定的負(fù)泊松比，且允許剛性組裝立方體在旋轉(zhuǎn)模式下關(guān)閉壓縮的空隙。這里可將結(jié)構(gòu)相容的狀態(tài)1模塊作為夾雜物，從而可產(chǎn)生參數(shù)可調(diào)的更多種類的組裝2D超材料。

圖2 通過整合模塊組裝周期性一維柱狀和二維點(diǎn)陣狀超材料

3D模塊化的設(shè)計(jì)如圖3所示。受中國(guó)古代榫卯結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，利用三維模塊剪紙的不同組合之間的適形配合創(chuàng)建了一類新的準(zhǔn)周期無挫折的三維超材料。三維超材料的潛在變形模式由榫卯連接件和柱連接件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，但根據(jù)其組合變形能力，可以將它們分為8個(gè)變形基序。此外，通過偏振自旋發(fā)現(xiàn)通過組合柱結(jié)構(gòu)的局部剪切特性可實(shí)現(xiàn)7種以上的變形模式。

考慮對(duì)3D變形進(jìn)行組合，作者使用簡(jiǎn)化的“ice規(guī)則”來描述有序體系結(jié)構(gòu)的可編程性。對(duì)于任何允許的結(jié)構(gòu)形式，可以唯一地將每個(gè)自旋配置與特定的局部變形模式關(guān)聯(lián)起來。由于2D層和柱連接件之間的變形獨(dú)立性，設(shè)計(jì)的3D超材料具有多個(gè)自由度，以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的材料響應(yīng)。盡管各層之間存在連接，但每一層都可以通過剛性模式在壓縮下實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的局部變形，而不會(huì)使其他柱和層變形。此外，還可以在整個(gè)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)全局協(xié)同變形模式。

圖3 三維準(zhǔn)周期超材料

3D超材料的力學(xué)響應(yīng)可以通過單軸壓縮下柱結(jié)構(gòu)的多種變形模式進(jìn)行操縱，性能如圖4所示。這里采用中間段具有均勻的立方體取向的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有四種壓縮模式和一種剪切模式。壓縮模式下，體現(xiàn)出鉸鏈旋轉(zhuǎn)占主導(dǎo)地位初始線性彈性階段和由于立方體壁面皺折過渡而產(chǎn)生的應(yīng)變硬化階段。壓縮模式1顯示出最高的初始剛度，且四種壓縮模式的剛度k遠(yuǎn)高于剪切模式。這些變形模式可以為多層超材料的可編程多步材料響應(yīng)提供更廣闊的設(shè)計(jì)空間。

圖4 三維超材料的力學(xué)性能

本文指出，具有偏振剪切方向的編碼立方體的眾多組合以及它們?cè)诿總�(gè)組裝結(jié)構(gòu)中不同模塊之間的整合連接將極大地?cái)U(kuò)展可重構(gòu)模塊化剪紙超材料的設(shè)計(jì)空間。研究為變形控制、可編程、可重復(fù)使用和多功能材料的實(shí)現(xiàn)提供可能，對(duì)減少材料浪費(fèi)以及在建筑、聲子、機(jī)械和機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：
LI Y, ZHANG Q, HONG Y, et al. 3D Transformable Modular Kirigami Based Programmable Metamaterials [J]. Advanced Functional Materials, 2021: 2105641.