2015年7月杂志俱乐部主题:可重构超材料——把洞放在正确的地方

可重构超材料——把洞放在正确的位置

杨蜀1,洁阴2

1宾夕法尼亚大学材料科学与工程系，E-mail:shuyang@seas.upenn.edu

2美国天普大学机械工程系材料应用力学实验室，E-mail:jieyin@temple.edu

可可逆改变尺寸、形状和对称性的可重构超材料在柔性电子设备、彩色显示器、智能窗户、执行器、传感器和光子/声子设备的设计中很有意义。这通常是通过简单而可控的机械变形引起的连续结构重构来实现的，例如局部结构元素的膨胀和坍塌、褶皱和变形。

结构工程师兼建筑师Le Ricolais说:“结构的艺术是如何以及在哪里打洞。”在这里，我们想开始讨论引入规定的孔洞、切口和折叠的设计，以生成具有高度一致性、可拉伸性、可展开性和可折叠性的可重构超材料，以及广泛的潜在应用，包括柔性电子、可调谐光子和声子带隙材料和可重构软机器人等。

1.通过规定不对称的定向确定性模式转换

通过屈曲失稳1-7实现了周期孔阵列软膜的丰富模式转换，其中，孔间韧带的弯曲引发可逆的孔闭合和打开2,7。然而，屈曲往往经历一个突然的结构变化和对称性破缺变形5-7，从而导致一个不确定的模式转变6-7，特别是在大变形时，当多孔膜坍塌以完全闭合孔隙7。

解决不确定性问题的一种可能性是用规定的预扭曲不对称韧带来打破韧带的变形对称性。例如，在引入预扭曲角后，具有三角形结构单元的kagome晶格的坍塌模式没有发生突然的屈曲，而是持续的模式转换8，这导致不对称韧带的确定性和定向弯曲，从而完成压实(视频S1，视频S2而且S3）.

图1:(a) Kagome多孔结构在无(结构a的屈曲)和预扭(结构B和C的无屈曲)情况下的模式转换。图片编辑自参考文献[8]。

Kagome晶格为在相对较小的外部扰动下产生大变形提供了理想的模型，这是机械超材料应用的一个极具吸引力的特征。除了预扭曲方法外，还可以采用其他预先设定的对称性破缺方法在晶格结构中生成非受挫的确定性模式转换。

2.超整合超材料的工程分形切割

可扩展和可变形结构的设计可以被认为是上面讨论的压实多孔结构的逆向过程，其中kagome和棋盘状多孔结构可以通过简单规定的线切割拉伸薄片来生成(图2a)。在拉伸过程中，被切割的三角形和方形单元进行旋转，导致结构的双向扩张，因此线条切割演变成kagome和分别为棋盘状多孔结构。切割概念可应用于旋转切割单元的任何其他形状以及更复杂的切割图案，如分形切割9,10，这允许通过简单的规定切割图案设计具有更丰富的结构重构的变形结构9,10。

图2:(a)引入线切割后，通过刚性旋转三角形和方形单元生成可扩展结构，(b)在相应的子单元中重复线切割(用红线表示)，从第1级切割到第3级切割，拉伸层次切割结构中的模式转换。图片编辑自Ref.[9]。

分层切割概念的优点是拉伸只通过单元旋转发生，而不引起分层结构中单个单元的变形，原则上可以应用于任何材料。分层切割的概念为探索软超材料的设计开辟了一条新途径，软超材料是一种多能材料，可以复制任何具有相当复杂的形状，具有可调的机械性能，以及极具扩展性和可变形的超材料9。它们可以用作集成传统刚性器件的支架，而不会在折叠或拉伸过程中牺牲器件性能，以获得符合和可拉伸的弯曲电子器件9。它们可用于高度可调谐的光学和声学。通过精确控制材料刚度和机械响应，它们还可以扩展到可折叠和可展开材料的3D。

3.多能可折叠材料的晶格基里伽米

除了通过刚性单元的二维薄片的切割层次和切割图案的组合来实现可叠合材料外，我们还可以通过进行规定的切割和识别边缘来将刚性表面扣入所需的三维形状，即所谓的三维形状晶格kirigami，因此，在曲面上施加局部高斯曲率点12。

与传统的折纸设计不同的是，kirigami可以通过折山折谷来去除部分晶格。因此，切割可以去除不必要的部分，最大限度地减少浪费，并允许从更少、更简单的折叠中获得更复杂的结构，而无需拉伸或收缩晶格的边缘。例如，将如图3a所示的具有褶皱的切面折叠成三维阶梯式曲面构型时，原始切割的六边形孔隙将被闭合。标记为“P”的两个区域可以相对于它们的初始配置独立地弹出或弹出，这导致了四种允许的配置(图3b-e)13。多能kirigami蓝图是非常需要的，它可以通过局部折叠重新分配容纳许多不同的目标结构，其中一个例子是六子的三角形晶格，这是开放的研究。

图3:具有六角形切口和折叠(A)的平面切面可以通过结合折纸折叠和切割的kirigami设计折叠成四个封闭的三维结构(b-e)。图片编辑自Ref.[13]。

简单的线条切割，裁剪，折叠的概念开辟了生成2-D和3-D可重构和多能超材料的新范式，为其力学的进一步研究及其在机械工程、材料科学和生物医学工程中的广泛应用打开了大门。

参考文献

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