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南洋理工最新Matter: 可编程离散单元组装的复杂三维曲面

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自然界的生物能够时刻的改变自己身体的几何形状来适应外界不同的环境,例如植物中含羞草受到刺激及时的闭合叶子避免受到伤害,动物中章鱼调整柔软的身体可以穿过极其狭窄的缝隙。在科幻电影中,我们也能时刻看到一些吸人眼球的变形应用,比如变形金刚电影中汽车人的变形轻松实现几种不同形态的功能。


图源:pixabay

尽管可以主动变形的物质(Morphing matter)一直在激励着人们的探索,实现高效实用的变形物质并非易事。这一难点主要来源于高斯绝妙定理的限制。为了实现从平面到三维复杂结构的转变,必须精确的控制平面状态下的曲率的变化。为了实现更加复杂可控的变形,广大的研究者们采取了各种不同的变形策略,其中包括折纸、剪裁或者一些软性材料等,以实现局部材料曲率的变化,从而达到整体变形的效果。然而,这些策略不可避免地受到多重限制:(i)由于曲率分布高度不均匀且复杂,使用传统材料系统实现平面到整个三维形状的变形具有极大挑战性;(ii)可行的目标表面范围在很大程度上受到材料自身可容许应变范围的制约;(iii)要编程的材料必须具备柔性或可拉伸性,从而导致变形结构的力学性能下降。

为了解决物质变形能力和力学性能之间的矛盾,实现更加实用的变形物质,新加坡南洋理工大学的王一凡教授团队和南洋博士后研究员刘明超另辟蹊径,他们从生物体非整体结构中得到灵感。例如:由薄弱界面连接的刚性部件组成的珍珠层或者骨骼,它们通过刚性部件的集体组装、滑动、旋转和分离,赋予了生物巧妙的形状变换能力和可调的机械特性。他们提出了一种通用的逆向设计方法,被命名为 "层级镶嵌"。该方法包括在全局层级进行剪裁分离,以及在局部层级进行颗粒镶嵌分离。通过组装这些具有独特形状的颗粒,可以主动、可逆地实现从平面到复杂三维曲面的转变。同时,通过调节颗粒的边界约束,可以实时调节变形后三维结构的力学性能。该团队还引入了具有拓扑互锁结构形状的颗粒实现了更高力学性能的变形物质。这一研究成果以“Hierarchical tessellation enables programmable morphing matter” 为题,发表在国际知名期刊 Matter 上。

研究亮点
  1. 1.    与传统的剪纸/折纸或软材料实现变形的方法不同,本研究采用了层级镶嵌拆分的方式,将复杂的三维曲面分解成离散的颗粒,通过颗粒的组装和拆卸,成功实现了从平面到复杂三维曲面的可逆转变。
  2. 2.    与传统的变形材料依赖其材料或结构柔软性不同,也有别于目前广泛研究的点阵超材料,本研究提出的颗粒组装变形物质能够通过调节颗粒的边界约束,实时调整结构的力学性能,并通过引入拓扑互锁的颗粒结构,进一步提升了结构的刚度。
  3. 3.    通过整合电子器件和智能电热驱动器,展示了本研究设计的变形物质的通用性。


研究内容
正如图1所展示,在高斯绝妙定理的限制瞎,将一个二维平面薄片包裹成三维的葫芦形状不可避免地会在薄片上产生褶皱,并且变形后的结构刚度相当有限。本研究的作者在生物体内分割结构的启发下,汲取了珍珠岩中砖块状排列实现刚度与韧性和谐统一的概念。犰狳刚性骨骼瓦片的相对滑动机制使其能够灵活变形成球状,提供了一种自我保护的方式。此外,鳄鱼脊柱中的骨骼由可变形的生物粘合剂粘合,使其能够实现灵巧运动。基于这些生物体的启发,作者提出了一种逆向设计方法,通过层级拆分的方式将任意复杂的三维曲面分解成离散的颗粒,从而实现从平面到三维的转变。


图 1. 基于"层级镶嵌"的三维结构变形逆向设计框架示意图

研究者展示了三种特殊形状的结构,以突显本设计方法的通用性:一是变化曲率的三维葫芦结构,接着是结构不对称的三维花瓶形状,最后是具有凹面形状的三维蘑菇椅形状(见图2)。


图 2. 三个典型的三维结构展示镶嵌方法的普适性。

传统的变形软材料要实现二维到三维的转变,必须具备材料本身的柔软性和可拉伸性,但这往往会导致结构力学性能如刚度方面的折衷。然而,在本文的设计中,通过刚性颗粒的组装实现的变形物质,可以通过调节颗粒的边界约束,实现结构高刚度和力学性能的实时控制(见图3)。


图 3. 通过实验测量和有限元分析确定变形结构的力学性能。

作为应用示例,研究者展示了将集成电子器件和智能电热驱动技术应用于此类变形物质,展现了其作为可变形交互灯(见图4)、救援通道(见图5)以及电热变形球(见图6)的潜在应用。

图 4. 作为可变形交互灯的应用。

图 5. 作为地震后可部署的救援通道的应用。

图 6. 利用电热致动器实现形状变形结构的形状转换和刚度调节能力。

总结展望
新加坡南洋理工博士生杨旭东为论文第一作者,南洋博士后刘明超研究员(Presidential Postdoctoral Fellow,现工作于英国伯明翰大学)和新加坡南洋理工大学王一凡教授(Nanyang Assistant Professor)为论文通讯作者。其他合作者包括新加坡南洋理工大学的夏焜教授,博士生张博健,陈天雨,陈语,以及来自清华大学的周愿博士和苏黎世联邦理工大学的汪子琦博士。

根据王一凡教授的介绍,因为此种基于离散单元的变形材料所带来的高力学性能以及能够实时调控的优点,他们正在开发基于此类变形材料在机器人领域,例如人体外骨骼方面的应用,争取能早日将这一通过离散单元组装的变形材料用于实际应用之中。


 

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.11.002


课题组简介:

新加坡南洋理工大学王一凡教授课题组长期致力于研究新型的3D打印技术以及功能化结构材料,并开发其在软体机器人领域和人体外骨骼领域的应用(课题组主页:https://www.yifanwangntu.com/)。王一凡教授于2020年至今担任新加坡南洋理工大学机械与宇航工程学院南洋助理教授(Nanyang Assistant Professor, 为该校授予杰出青年教授的职位)。王一凡教授于2017-2020年在加州理工学院机械与土木工程系从事博士后研究,2011-2016年在芝加哥大学物理系获得物理学博士学位,2007-2011年于北京大学物理系获得物理学士学位。王教授已在领域内顶级期刊发表多篇重要文章,其中包括NaturePhysical Review LettersNature MaterialsMatterACS NanoAdvanced MaterialsSmallExtreme Mechanics Letters等。课题组长期招收软体机器人以及超材料相关的博士生,博士后以及访问学者(请联系:Yifan Wang[email protected])。离散结构化超材料以及其在软体机器人领域的应用的研究才刚刚开始,星辰大海是我们的征途,希望更多有志向的年轻人加入这个有趣的方向,一起书写新的篇章。


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扩展阅读

 
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