科学家制作3D折纸型超材料表现出可逆膨胀性和变形恢复性

西北大学和乔治亚理工学院的一个跨学科研究团队制作了3D折纸构建的小型超材料,成功地保留了材料最佳属性,而无需借助人工制品实现折叠。该研究旨在促进对这种折叠结构的创建和理解,这些结构适用于从软机器人到医疗设备再到能量收集器的各种应用。这一发现为机械超材料在软机器人和医疗设备中的应用提供了可能。

受折纸启发的机械超材料-具有由其结构而不是其成分定义的机械性能的人造结构,由于其具有产生可展开且高度可调整结构材料的潜力而受到了广泛关注。

科学家制作3D折纸型超材料表现出可逆膨胀性和变形恢复性

超材料原型

但人们不知道的是,哪些结构整合了形状恢复性、明显的定向机械性能和可逆膨胀性。虽然一些3D折纸结构已经通过增材制造生产出来,但实现理想的折纸中显示出的折叠特性仍然是一个挑战。

麦考密克工程学院和佐治亚理工学院的研究人员使用纳米级效果进行折纸设计,试图回答这个问题。他们制作了小型3D折纸构建的超材料,成功地保留了最佳特性,而不需要借助人工制品实现折叠。所形成的结构构成了最小的折纸结构超材料,展现出前所未有的机械性能组合。

该研究工作表明,采用折纸设计可以合理设计超材料,具有高度的形状可恢复性以及方向依赖性刚度和变形,折纸的可折叠性使材料可以先膨胀然后横向收缩(可逆的膨胀性)。这样的特性有望影响包括纳米、微观和宏观尺度在内的广泛领域的许多应用。

可以设想基于折纸的微型软体机器人,这些机器人在某些方向上是刚性的,可以承载有效载荷,同时保持其他程度的运动灵活性。利用可逆的膨胀性和大变形的折纸超材料可以带来多功能应用,包括可部署的显微外科器械和医疗设备以及能量转移和捕获。

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这项研究提出了有待长期探索的新途径。

这项研究得到了美国陆军研究办公室(W911NF1220022)的支持,这是一项多大学研究计划,通过空军科学研究所(AFOSR-FA9550-15-1-0009),海军研究办公室(拨款N00014-15 -1-2935和N00014-16-1-3021)以及国家科学基金会(授权号1538830)支持。

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