北卡羅來納州立大學&耶魯大學：模塊化剪紙可編程超材料

供稿人：周艷麗、田小永 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

近年來，古老的剪紙藝術在超材料領域被賦予了新的應用價值。然而，由于切割單元平面連接的限制，大多數(shù)研究僅限于具有特定形式的以及有限可重構性的2D薄板剪紙超材料。北卡羅來納州立大學Jie Yin與耶魯大學Qiuting Zhang團隊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械響應的新型無挫折、可重構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的設計空間，為設計豐富的周期和準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，對三維長方體中引入了四個空間切面，通過彈性扭轉鉸鏈將長方體分解為八個離散連接的相同立方體。每個立方體通過兩個正交線鉸鏈與兩個相鄰立方體連接，形成空間閉環(huán)。結構允許立方體圍繞鉸鏈剛性旋轉以打開所有切口，然后擠壓以生成連接的薄壁立方體。由四個通過鉸鏈連接的剛性板組成的薄壁立方體可通過旋轉鉸鏈周圍的剛性壁面來進行剪切，從而實現(xiàn)基于剛性和柔性的三個重構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計，可以進一步演變?yōu)槌?1845個衍生基本模塊。

圖1 基于剛性和柔性模式的3D可轉換剪紙模塊

1D和2D模塊化超材料的可重構設計如圖2所示。1D結構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模塊的設計。前者可通過剛體模式和柔性模式重新配置，后者若設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結構由狀態(tài)4沿兩個正交方向與平面互補形狀進行鑲嵌，形成周期性2D晶格狀材料。它顯示了恒定的負泊松比，且允許剛性組裝立方體在旋轉模式下關閉壓縮的空隙。這里可將結構相容的狀態(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陣狀超材料

3D模塊化的設計如圖3所示。受中國古代榫卯結構的啟發(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)部結構決定，但根據(jù)其組合變形能力，可以將它們分為8個變形基序。此外，通過偏振自旋發(fā)現(xiàn)通過組合柱結構的局部剪切特性可實現(xiàn)7種以上的變形模式。

考慮對3D變形進行組合，作者使用簡化的“ice規(guī)則”來描述有序體系結構的可編程性。對于任何允許的結構形式，可以唯一地將每個自旋配置與特定的局部變形模式關聯(lián)起來。由于2D層和柱連接件之間的變形獨立性，設計的3D超材料具有多個自由度，以實現(xiàn)獨特的材料響應。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現(xiàn)獨立的局部變形，而不會使其他柱和層變形。此外，還可以在整個結構中實現(xiàn)全局協(xié)同變形模式。

圖3 三維準周期超材料

3D超材料的力學響應可以通過單軸壓縮下柱結構的多種變形模式進行操縱，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構，此結構具有四種壓縮模式和一種剪切模式。壓縮模式下，體現(xiàn)出鉸鏈旋轉占主導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提供更廣闊的設計空間。

圖4 三維超材料的力學性能

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在每個組裝結構中不同模塊之間的整合連接將極大地擴展可重構模塊化剪紙超材料的設計空間。研究為變形控制、可編程、可重復使用和多功能材料的實現(xiàn)提供可能，對減少材料浪費以及在建筑、聲子、機械和機器人等領域的應用具有重要意義。

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