南洋理工大学黑科技,蝙蝠侠的斗篷或将变成现实

104天前     693

新加坡南洋理工大学和美国加州理工学院的科学家们近期开发出一种可按需变硬的智能面料的黑科技,研制蝙蝠侠的斗篷,或将变成现实!

黑科技面料

身为凡人的我们,有没有那么一瞬间幻想过,自己可以拥有像蝙蝠侠,超人,奇异博士那样的一件高科技斗篷,带着我们风驰电掣,呼风唤雨,成为万人敬仰的超级英雄?随着科技的发展,这个电影中超级英雄的最佳拍档,可能即将成为现实。

南洋理工大学黑科技,蝙蝠侠的斗篷或将变成现实

近日,来自新加坡南洋理工大学(NTU)和美国加州理工学院 (Caltech) 的科学家联合开发出了一种新型“链甲型”织物面料,这种新兴的智能织物虽然看上去像布料一样柔韧,但它可以根据使用者所需要改变硬度,就好像超级英雄的斗篷一样。目前该成果已经成功发表在世界顶级学术期刊 Nature 上。

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这种轻质织物由尼龙塑料聚合物 3D 打印而成,由相互联锁的空心八面体(具有八个相等三角形面的形状)组成。当装在塑料袋中并真空包装时,它的硬度会提高 25 倍,并且可以承受自身重量的 50 倍以上的重量。

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科学家们为了能更直观的让大家能理解这种新型智能材料,他们用流行文化中的一个经典的例子,就是蝙蝠侠的斗篷。这个只存在于科幻电影中的高科技斗篷通常是十分柔软灵活的,但当紧急时刻蝙蝠侠需要它作为滑翔翼时,它可以根据需要随意变硬,成为重要的工具。

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具体原理

此次研究中的“链甲”是一种由两层互锁颗粒组成的结构化织物。据论文描述,这种织物材料在围压下会经历一个相变(堵塞转变),从而改变其机械性能,由柔软的纺织品变成坚硬的外壳。事实上,这种“链甲”的高强度来源于其在负载下表现出的一种堵塞转变,将它们从软力学变为硬力学。

研究人员重新审视了“链甲”的机制,重点研究了堵塞过渡。研究结果表明,使用围压作为驱动力,可以从根本上改变这种织物的拉伸和弯曲性能,而且这种变化是可逆的。当研究人员将这种材料放入一个柔软的密封塑料袋中并抽出空气时,产生的围压足够大,足以触发织物的堵塞转变。

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为了理解导致弯曲刚度增加(链甲在受力下变硬)的基本机制,研究人员使用数值模拟研究了颗粒之间的微观结构相互作用和位移。通过构建空心八面体粒子的“数字孪生体”来模拟织物,然后对其进行复制和重新排列。

作为对比,研究中采用了由相同空心八面体组成的没有拓扑互锁结构的的组件进行相同的虚拟实验。结果表明,互锁织物在相同的围压下表现出更高的弯曲模量(大约高 3 倍)。这可归因于拓扑互锁结构引起的颗粒之间的拉伸阻力,这种阻力在松散的颗粒聚集体中是不存在的。

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为了探索颗粒几何形状和堵塞结构的机械性能之间的关系,研究人员设计了另外五种三维颗粒几何形状,并构造了相应的互锁织物,并利用验证过的最小二乘离散元模型研究这些织物在三点弯曲试验下的力学响应。

结果表明,在某一起始值 Z0(Z0 定义为粒状结构结构刚性所需的临界接触数)之后,表观弯曲模量随着平均接触数单调增加。

作为比较,研究人员还模拟了由互锁的环形和方形颗粒组成的经典链甲层的两层堆叠,来自这些经典的链甲层的结果也遵循先前观察到的幂律缩放。

未来作用

这种下一代新型智能织物的成形能力对于可穿戴应用和可重构结构尤其重要,或将预示穿戴式可重构结构的光明前景,例如军队中士兵的轻质盔甲、运动领域中运动员防护装备,医疗康复领域中卒中患者的康复器械,以及养老医护领域可帮助老年人站立、行走和搬运物品的科技外骨骼等等。

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这项突破性的跨学科的研究被发表在著名的《自然》杂志上,是机械工程和先进位造专家之间强强合作的结果。

作者发言

南洋理工大学黑科技,蝙蝠侠的斗篷或将变成现实

论文的第一作者,NTU的助理教授Wang Yifan

论文的第一作者NTU的助理教授Wang Yifan表示,他们的研究具有科学和工业意义,是一种在医学和机器人系统中应用一种新的平台技术。“采用一种轻而可调的工程面料,我们可以用它来满足患者和老龄化人群的需求,例如创造出外骨骼帮助他们站立、负重和帮助他们完成日常任务”。来自NTU机械和航空航天工程学院的助理教授Wang Yifan,他在加州理工学院担任博士后研究员时就开始了这项研究。

“受古代链状锁子盔甲的启发,我们使用了联锁的塑料中空颗粒来提高可调织物的刚度。为了进一步提高材料的刚度和强度,我们现在正在研究由包括铝在内的各种金属制成的织物,它可以用于需要更高负载能力的更大规模的工业应用,如桥梁或建筑。”

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论文的通讯作者,加州理工学院Chiara Daraio教授和G. Bradford Jones教授说:“我们想制造出能够随意改变硬度的材料。希望创造一种可以调控软硬度、可折叠度,刚性和承重的织物。”

展望未来,该团队正在寻求改善其材料和织物性能,并探索更多使其变硬的方法,例如通过磁力、电或温度等等。

参考文献:

1. "'Smart' fabric stiffens on demand" NTU Media Release;

2. Research paper titled “Structured fabrics with tunable mechanical properties”,published in Nature, 11-Aug-2021. DOI: 10.1038/s41586-021-03698-7

*本文图片来源:NTU官网,Nature官网

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