北理工團隊在變剛度超材料研究中取得重要進展
發(fā)布日期：2025-01-22 供稿：宇航學(xué)院 攝影：宇航學(xué)院
編輯：楊麗靜 審核：武志文 閱讀次數(shù)：
近期,，北京理工大學(xué)軟物質(zhì)力學(xué)團隊在力學(xué)超材料方面取得重要進展，相關(guān)研究成果以“Stability-Enhanced Variable Stiffness Metamaterial with Controllable Force-Transferring Path”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》,，并被選為當(dāng)期卷首論文（Frontispiece）,。北京理工大學(xué)宇航學(xué)院2020級碩士研究生伊繼烜為論文第一作者，宇航學(xué)院萬超副教授與張凱教授為論文共同通訊作者,。
工程領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)剛度要求日益復(fù)雜,，使得傳統(tǒng)材料難以滿足多變的設(shè)計需求。在這種背景下,，可變剛度材料應(yīng)運而生,。作為可變剛度材料之一，自接觸變剛度超材料（Self-contact variable stiffness metamaterials）通過改變其力傳遞路徑，實現(xiàn)了特定的彈性應(yīng)變能存儲模式,，進一步實現(xiàn)剛度調(diào)節(jié),，解決了常見變剛度超材料需要外部驅(qū)動或刺激場的不足。然而,，由于超材料制造過程中不可避免地存在不規(guī)則結(jié)構(gòu),、偏心和缺損等不足，現(xiàn)有的自接觸變剛度超材料大多難以穩(wěn)定地實現(xiàn)預(yù)期設(shè)計的應(yīng)變能存儲模式,，其實際的剛度變化范圍受到很大影響,。
為了解決這一問題，本研究提出了一種具有偏心單元設(shè)計的SVS超材料/超結(jié)構(gòu),，既能實現(xiàn)穩(wěn)定的剛度變化,，又能實現(xiàn)高承載。理論,、仿真和實驗結(jié)果表明：新型的SVS超材料在高,、低載荷條件下剛度變化約為110倍；進入高剛度階段時,，其承載能力可達1500 N以上（如圖2所示）,。
圖2 自接觸變剛度超材料的偏心設(shè)計、傳力路徑及其增穩(wěn)機制
進一步,，基于該穩(wěn)定性增強的SVS超材料,，可實現(xiàn)對人體關(guān)節(jié)的定制機械保護（如圖3）和遠程機械輸入信號調(diào)節(jié)的信息轉(zhuǎn)換功能（如圖4）。這些成果為生成更可行的穩(wěn)定性增強SVS超材料/超結(jié)構(gòu)提供了有益的解決方案,，并推動了它們在航空航天,、醫(yī)療器械和機器人技術(shù)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
圖3 基于自接觸變剛度超材料構(gòu)建的人體腕關(guān)節(jié)護具
圖4 基于自接觸變剛度超材料實現(xiàn)的力學(xué)-信息轉(zhuǎn)換功能
該研究得到了國家自然科學(xué)基金經(jīng)費支持,。
論文詳情：Yi J, Lyu R, Li Y, Wan C*, Zhang K*, 2025. Stability-Enhanced Variable Stiffness Metamaterial with Controllable Force-Transferring Path. Advanced Functional Materials 35, 2413789.
全文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202413789
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