解锁创新:多稳态机械超材料在设计、制造和应用中的演变

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解锁创新:多稳态机械超材料在设计、制造和应用中的演变

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解锁创新:多稳态机械超材料在设计、制造和应用中的演变

南京大学的研究人员回顾了多稳态机械超材料在设计、制造和应用方面的最新研究进展,该材料具有在外部载荷下在多种稳定配置之间切换的显著能力。可重复使用性的实现使这些创新超材料能够用于广泛的工程应用,包括能量吸收、软致动器/机器人、机械存储、逻辑运算,以及波浪控制

这项研究发表在《国际极限制造杂志》上,首先对常见的双稳态单元进行总结和分类,从而为双稳态评估奠定基础——这是现有研究中以前未充分探索的一个方面。然后从能量的角度仔细研究双稳态结构的力学性质

在多稳态机械超材料制造领域,该研究不仅引入了传统的减法制造方法,如切割,还重点关注了尖端材料加工技术,包括3D/4D打印

鉴于多稳态机械超材料的特殊性质,其应用潜力广泛扩展到能量吸收、软机器人和波浪控制等领域。最后,该研究深入分析了多稳态机械超材料领域未来的研究方向和未来的挑战

“多稳态机械超材料非常棒——它们可以在不同的稳定形状之间切换,使设备可重复使用。此外,它们的能量屏障便于能量吸收和存储。当它们从一种稳定状态转换到另一种稳定态时,它们会迅速释放应变能,使其具有快速行动的超高效性。最棒的是,它们不需要恒定的能量供应。”或稳态变形。南京大学工程与应用科学学院教授、该研究的资深作者陆明辉说:“它们还具有丰富的可变形性,可以做各种很酷的事情。”,鲁补充道:“我们可以在自然界和日常生活中到处找到双稳态结构。Venu的捕蝇草叶子从“打开”变成“关闭”,或者蜂鸟的喙在几毫秒内啪的一声关上,抓住一只美味的昆虫。即使是日常用品,如开关、瓶盖、笔帽、塑料扣、扎带、弹跳玩具球、卷尺和发夹,也使用双稳态设计,南京科技大学机械工程学院教授李欣说:将这些常见的双稳态结构分为三类,填补了以往研究的空白。它们是:梁、桁架和柔顺机构;曲面和薄壁结构;以及诸如kirigami和卡扣配合结构的其他结构。“

多稳态机械超材料的制备是其工程应用的先决条件,关于这些超材料有许多制造方法。

然后,李解释道,“除了传统的减法制造,如切割(用机器或激光)和铸模,有一种叫做3D/4D打印的新奇事物正在疯狂地发展。这项技术在过去几年里取得了长足的进步,使制造那些复杂的多稳态机械超材料变得非常容易。特别是当涉及到精确打印或制作不同尺寸时,3D/4D打印有一些重要的好处。“对于多稳态机械超材料的未来发展,陆说,”人工智能是目前的热门话题,尤其是在设计、建模和优化方面。因此,如果我们将良好的传统设计和模拟方法与人工智能相结合,我们可以使设计这些超材料成为小菜一碟。这一切都是为了简化流程,关注关键参数,提高设计效率。“

对于多稳态机械超材料的未来发展,陆说:“人工智能是目前的热门话题,尤其是在设计、建模和优化方面。因此,如果我们将良好的传统设计和模拟方法与人工智能相结合,我们可以使设计这些超材料成为一块蛋糕。这一切都是为了简化过程,关注关键参数,提高设计效率。”

“我对多稳态机械超材料的未来感到非常兴奋,因为有一些很酷的新制造技术。以微纳3D打印为例。像PμSL和TPP这样的东西改变了游戏规则,让我们创造了这些微小的多稳态结构。”

“此外,当我们使用一流的材料和先进的3D打印和后处理技术时,我们不仅让它们看起来很好看,还让它们变得坚韧——强度和所有这些爵士乐。这为在航空航天、医学、电子和机器人等各个领域使用这些多稳态机械超材料打开了大门。我们甚至可以使用软驱动材料和4D打印魔法。这意味着我们可以用各种各样的东西来控制它们,比如电、光、温度、pH值、溶剂、水分和磁场,”陆评论道。

多稳态机械超材料的应用也面临着许多机遇和挑战。“当谈到能量吸收时,与普通材料相比,它们在吸收能量方面并不出色。”

“但这是有解决办法的!我们可以调整设计,使用高能量密度材料,将它们与常规能量吸收器混合,甚至创建多级能量吸收装置来增强能量。我们可以通过加入一些对外部信号做出反应的材料,使这些结构根据命令弯曲和弯曲。这种快速变化的形状使它们非常适合为软机器人提供动力并采取行动。”uators在一瞬间。“

“这些双稳态结构可以将数据存储为二进制状态,而无需电源。这意味着它们可以处理一些非常恶劣的环境,如高辐射、灼热或高压。当你将它们与机械计算相结合时,你就拥有了能够独立思考和适应的机器。如果你看到这些机械大脑缩小到微观和随着微型3D打印技术的兴起,纳米级的3D打印技术应运而生。”陆说。

在过去的十年里,科学家们对多稳态机械超材料的研究表现出了极大的热情,并取得了显著的成果。该团队认为,多稳态机械超材料理论和制造技术的不断完善将极大地促进其在更多工程领域的应用。

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