“机械超材料” –多功能积木使结构具有惊人的机械性能

CBA研究人员创建了四种不同类型的新型亚基，称为体素（2D图像像素上的3D变体）。从左到右：刚性（灰色），柔顺（紫色），发胀（橙色），手性（蓝色）。

可以自动组装这些子单元，以生产大型，复杂的物体，包括汽车，机器人或风力涡轮机叶片。

麻省理工学院的位和原子中心的研究人员创造了微小的构件，这些构件具有各种独特的机械性能，例如在受到挤压时能够产生扭曲运动。这些子单元可能由微型机器人组装成具有内置功能的几乎无限多种物体，包括车辆，大型工业零件或可以重复以不同形式重复组装的专用机器人。

研究人员创建了四种不同类型的这些亚基，称为体素（2D图像像素上的3D变体）。每种体素都具有典型的天然材料所不具有的特殊性能，并且可以组合使用它们来制造以可预测的方式对环境刺激做出响应的设备。示例可能包括飞机翼或涡轮叶片，它们通过改变整体形状来响应气压或风速的变化。

这项发现详细描述了离散的“机械超材料”家族的创建，并于2020年11月18日发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中进行了描述，该论文由最近的MIT博士研究生本杰明·杰内特博士'20，尼尔·格申菲尔德教授撰写，以及另外四个。

斯坦福大学土木与环境工程学兼职教授，落基山研究所创始人阿莫里·洛文斯（Amory Lovins）表示：“这种非凡的，基本的，优美的合成有望彻底改变超轻材料-节俭结构的成本，可定制性和功能效率。” ，谁与这项工作无关。

超材料之所以得名，是因为它们的大规模特性不同于其组成材料的微观特性。它们用于电磁学和作为“结构化”材料，它们是在其微观结构水平上设计的。Gershenfeld说：“但是，作为超材料创建宏观机械性能方面并没有做很多事情。”

Gershenfeld说，采用这种方法，工程师应该能够构建具有多种材料特性的结构，并使用相同的共享生产和组装过程来生产它们。

体素由注塑成型聚合物的扁平框架部件组装而成，然后合并为三维形状，可以将其连接到更大的功能结构中。它们大部分是开放空间，因此在组装时提供了非常轻便但坚固的框架。除了基本的刚性单元（可提供强度和轻量的出色组合）之外，这些体素还有其他三种变体，每种都有不同的异常特性。

“膨胀”体素具有一个奇怪的特性，即当压缩时，一立方块材料实际上向内凸起，而不是从侧面凸起。这是通过常规且廉价的制造方法生产的这种材料的首次展示。

也有“柔顺”体素，泊松比为零，这有点类似于膨胀特性，但是在这种情况下，当压缩材料时，侧面根本不会改变形状。很少有已知材料具有这种性能，现在可以通过这种新方法来生产。

最后，“手性”体素以扭曲运动响应轴向压缩或拉伸。同样，这是一个不常见的属性；去年，通过复杂的制造技术生产出一种这样的材料的研究被认为是一项重大发现。这项工作使该属性在宏观尺度上易于访问。

“我们展示的每种材料属性以前都是它自己的领域，”格申菲尔德说。“人们只会在那一处房产上写论文。这是第一件事，将所有这些都显示在一个系统中。”

为了展示在这些大量生产的体素中以乐高形式建造的大型物体在现实世界中的潜力，该团队与丰田公司的工程师合作，生产了功能性的超长距离赛车，并在此基础上进行了演示。在今年早些时候举行的一次国际机器人大会上获得了记录。

Jenett说，他们能够在短短一个月内组装出轻便，高性能的结构，而以前使用传统的玻璃纤维建造方法来建造可比的结构却花了一年的时间。

比赛期间，赛道被雨水打滑，赛车最终撞上了障碍物。令所有人都感到惊讶的是，汽车的格子状内部结构发生了变形，然后反弹回来，吸收了震动而几乎没有损坏。珍妮特说，传统的汽车如果由金属制成，可能会严重凹陷，而如果是复合材料，则可能会破碎。

这辆车生动地证明了这些微小的零件确实可以用于制造与人一样大小的功能设备。而且，格申费尔德（Gershenfeld）指出，在汽车的结构中，“这些零件没有与其他零件相连。除了马达和电源外，整个东西都是由这些零件组成的。”

由于体素在大小和成分上均一，因此可以按照为所得设备提供不同功能所需的任何方式进行组合。“我们可以涵盖以前被认为非常专业的各种材料特性，”格申菲尔德说。“关键是您不必选择一项财产。例如，您可以制作在一个方向上弯曲但在另一个方向上僵硬并且仅以特定方式移动的机器人。因此，与我们以前的工作相比，最大的变化是该功能具有跨越多种机械材料特性的能力，而以前我们以前一直将其隔离。”

Jenett将大部分工作作为他的博士论文的基础，他说：“这些零件价格低廉，易于制造且组装速度非常快，您可以在一个系统中获得所有这些特性。它们彼此兼容，因此具有所有不同类型的奇异属性，但是它们在同一个可扩展，廉价的系统中彼此之间可以很好地玩耍。

“考虑一下汽车，机器人，轮船和飞机上的所有刚性部件和活动部件，”格申菲尔德说。“而且，我们可以使用这一系统来涵盖所有这些内容。”

Jenett说，关键因素是由一种这类体素组成的结构的行为方式与子单元本身完全相同。“我们能够证明，当您将零件组装在一起时，关节有效地消失了。它表现为连续的整体材料。”

Gershenfeld说，尽管机器人技术的研究倾向于在硬机器人和软机器人之间进行，但“两者都不是，”因为它有可能在单个设备中混合并匹配这些特性。

珍妮特说，这项技术可能的早期应用之一可能是用于制造风力涡轮机的叶片。随着这些结构变得越来越大，将叶片运输到其操作现场已成为严重的后勤问题，而如果它们是由数千个微小的子单元组装而成的，则可以在现场完成这项工作，从而消除了运输问题。类似地，由于它们的大尺寸和缺乏可回收性，对用过的涡轮叶片的处置已经成为一个严重的问题。但是由微小体素组成的刀片可以在现场拆卸，然后再将体素重新用于制造其他东西。

此外，叶片本身可以提高效率，因为它们可以在结构中设计出多种机械性能，从而使它们能够动态，被动地响应风的强度变化，他说。

总的来说，Jnett说：“现在我们有了这个低成本，可扩展的系统，因此我们可以设计我们想要的任何东西。我们可以做四足动物，我们可以做游泳机器人，我们可以做飞行机器人。这种灵活性是该系统的主要优势之一。”

斯坦福大学的Lovins表示，这项技术“可以制造出价格低廉，经久耐用，非常轻便的航空飞行表面，从而可以被动地，持续地优化其形状，就像鸟的翅膀一样。它还可能使汽车的空质量更接近其有效载荷，因为它们的防撞结构大部分变为空气。它甚至可能允许球形壳体，其抗压强度可使大气中漂浮的真空气球（无氦）举起巨型喷气机的净有效载荷的几十倍。”

他补充说：“像仿生学和集成设计一样，这种细胞超材料的新艺术是一种强大的新工具，可以帮助我们事半功倍。”

参考：Benjamin Jenett，Christopher Cameron，Filippos Tourlomousis，Alfonso Parra Rubio，Megan Ochalek和Neil Gershenfeld的“离散组装的机械超材料”，2020年11月18日，科学进展。DOI：
10.1126 / sciadv.abc9943

研究团队包括麻省理工学院的Filippos Tourlomousis，阿方索·帕拉·鲁比奥和梅根·奥查莱克以及美国陆军研究实验室的克里斯托弗·卡梅隆。这项工作得到了美国国家航空航天局（NASA），美国陆军研究实验室和位与原子联合会中心的支持。