Nature | 可按需改变刚度的3D打印“锁子甲”

来自新加坡南洋理工大学和美国加州理工学院的科学家们开发出了一种新型的“锁子甲”面料，这种面料像布一样柔韧，但可以根据需要改变刚度。

这种轻质织物由尼龙塑料聚合物3D打印而成，包括相互互锁的中空八面体(一种有八个相等三角形面的形状)。

当这种柔软的织物被包裹在一个柔软的塑料封套中并进行真空包装时，它会变成一种刚性结构，其刚度或弯曲度是松弛时的25倍。其背后的物理原理被称为“jamming transition”，类似于大米或豆类的真空包装袋的硬化行为。

这种被称为“可穿戴结构织物”的材料可以为下一代智能织物铺平道路，这种织物可以硬化，以保护用户免受冲击或需要额外的承重能力。

潜在的应用可能包括防弹或防刺背心，老年人的可配置医疗支持，以及高冲击运动或建筑工地等工作场所的保护性外骨骼。

这项跨学科研究是机械工程和先进制造专家合作的结果，发表在《自然》杂志上，题为Structured fabrics with tunable mechanical properties。

该论文的主要作者，南洋助理教授Wang Yifan说，他们的研究具有基础研究和工业应用的双重价值，它可能会导致一种新的通用技术，应用于医疗和机器人系统，造福社会。

a–八边三角形如何相互连接的示意图

b–3D打印的锁子甲

c–柔软和未压缩时的锁子甲

d–柔软时的两层锁子

e–三维模型展示锁子甲被压缩在塑料袋中时是如何被挤压在一起的

f–两层锁子甲被真空包装在一个塑料封套中，承受50倍于其重量的负荷

“有了这种轻质、可调节的工程面料——可以轻松地从柔软变为坚硬——我们可以用它来满足患者和老龄人口的需求，例如，制造可以帮助它们站立、负重和帮助它们完成日常任务的外骨骼。” Wang Yifan在加州理工学院担任博士后研究员时就开始了这项研究。

“受古代锁子甲的启发，我们使用了互锁的塑料空心颗粒来增强可调谐织物的硬度。为了进一步提高材料的硬度和强度，我们现在正在研究由包括铝在内的各种金属制成的织物，这种织物可用于需要更高负载能力的大型工业应用，如桥梁或建筑。"

该论文的通讯作者，加州理工学院机械工程和应用物理学院G. Bradford Jones教授和Chiara Daraio教授说:“我们希望制造可以根据命令改变刚度的材料。我们希望创造一种面料，以可控的方式从柔软、可折叠到坚硬、承重。”

就像是2005年电影《蝙蝠侠诞生》中的蝙蝠侠斗篷，它通常是柔性的，但当穿着斗篷的十字军战士需要它作为滑翔机时，它可以随意变得僵硬。

联锁织物背后的科学

可变刚度织物背后的科学概念被称为“jamming transition”。其中固体颗粒的聚集体从类似流体的柔软状态转变为类似固体的坚硬状态，堆积密度略有增加。然而，典型的固体颗粒通常太重，并且不能提供足够的抗拉强度。

在他们的研究中，作者设计了结构化的粒子——其中每个粒子都由中空的框架组成——形状为环形、椭圆形、正方形、立方体、金字塔和不同形状的八面体，然后互锁在一起。这些结构被称为拓扑互锁结构，然后可以形成具有低密度和高拉伸刚度的锁子甲织物，使用最先进的3D打印技术将它们打印为单件。

然后，他们模拟了每个粒子的平均接触点数量，以及每个结构在受到应力时会弯曲多少。该团队发现，通过定制粒子形状，可以在粒子的重量与织物的弯曲程度之间进行权衡，以及如何平衡这两个因素。

为了增加一种控制织物硬度的方法，研究小组将锁子甲织物封装在一个柔性塑料封套中，并使用真空压紧织物，从外部施加压力。真空压力增加了织物的堆积密度，使得每个颗粒与其相邻颗粒有更多的接触，对于基于八面体的织物而言，其结构的刚性增加了25倍。当形成一个扁平的桌子状结构并真空锁定到位时，这种织物可以承受1.5公斤的负荷，超过织物自身重量的50倍。

在另一项实验中，研究小组以每秒3米的速度将一个小钢球(30克，直径1.27厘米)扔在锁子甲上。当织物松弛时，冲击使织物变形达26毫米，但当织物变硬时，仅变形3毫米，变形深度减少六分之一。

为了展示他们使用不同原材料的织物概念的可能性，团队使用铝合金3D打印了锁子甲，并证明了它在放松时具有与尼龙相同的灵活性和“柔软”性能，但由于铝的刚度和强度更高，它也可以“塞入”比尼龙更硬的结构中。

这些金属锁子甲可以用于防弹衣等领域，它们必须能够抵御尖锐物体的高速冲击。在这种情况下，封装或封套材料可以由芳族聚酰胺纤维制成，通常称为Kevlar，用作防弹背心中的织物。

展望未来，该团队正在寻求改善他们锁子甲的材料和织物性能，并探索更多的方法来加强它，如通过磁性，电力或温度。