南洋理工大學黑科技，蝙蝠俠的斗篷或將變成現實

2021年08月22日 • 1萬次閱讀

新加坡南洋理工大學和美國加州理工學院的科學家們近期開發出一種可按需變硬的智能面料的黑科技，研製蝙蝠俠的斗篷，或將變成現實！

黑科技面料

身為凡人的我們，有沒有那麼一瞬間幻想過，自己可以擁有像蝙蝠俠，超人，奇異博士那樣的一件高科技斗篷，帶著我們風馳電掣，呼風喚雨，成為萬人敬仰的超級英雄？隨著科技的發展，這個電影中超級英雄的最佳拍檔，可能即將成為現實。

近日，來自新加坡南洋理工大學（NTU）和美國加州理工學院 (Caltech) 的科學家聯合開發出了一種新型「鏈甲型」織物面料，這種新興的智能織物雖然看上去像布料一樣柔韌，但它可以根據使用者所需要改變硬度，就好像超級英雄的斗篷一樣。目前該成果已經成功發表在世界頂級學術期刊 Nature 上。

這種輕質織物由尼龍塑料聚合物 3D 列印而成，由相互聯鎖的空心八面體（具有八個相等三角形面的形狀）組成。當裝在塑料袋中並真空包裝時，它的硬度會提高 25 倍，並且可以承受自身重量的 50 倍以上的重量。

科學家們為了能更直觀的讓大家能理解這種新型智能材料，他們用流行文化中的一個經典的例子，就是蝙蝠俠的斗篷。這個只存在於科幻電影中的高科技斗篷通常是十分柔軟靈活的，但當緊急時刻蝙蝠俠需要它作為滑翔翼時，它可以根據需要隨意變硬，成為重要的工具。

具體原理

此次研究中的「鏈甲」是一種由兩層互鎖顆粒組成的結構化織物。據論文描述，這種織物材料在圍壓下會經歷一個相變（堵塞轉變），從而改變其機械性能，由柔軟的紡織品變成堅硬的外殼。事實上，這種「鏈甲」的高強度來源於其在負載下表現出的一種堵塞轉變，將它們從軟力學變為硬力學。

研究人員重新審視了「鏈甲」的機制，重點研究了堵塞過渡。研究結果表明，使用圍壓作為驅動力，可以從根本上改變這種織物的拉伸和彎曲性能，而且這種變化是可逆的。當研究人員將這種材料放入一個柔軟的密封塑料袋中並抽出空氣時，產生的圍壓足夠大，足以觸發織物的堵塞轉變。

為了理解導致彎曲剛度增加（鏈甲在受力下變硬）的基本機制，研究人員使用數值模擬研究了顆粒之間的微觀結構相互作用和位移。通過構建空心八面體粒子的「數字孿生體」來模擬織物，然後對其進行複製和重新排列。

作為對比，研究中採用了由相同空心八面體組成的沒有拓撲互鎖結構的的組件進行相同的虛擬實驗。結果表明，互鎖織物在相同的圍壓下表現出更高的彎曲模量（大約高 3 倍）。這可歸因於拓撲互鎖結構引起的顆粒之間的拉伸阻力，這種阻力在鬆散的顆粒聚集體中是不存在的。

為了探索顆粒幾何形狀和堵塞結構的機械性能之間的關係，研究人員設計了另外五種三維顆粒幾何形狀，並構造了相應的互鎖織物，並利用驗證過的最小二乘離散元模型研究這些織物在三點彎曲試驗下的力學響應。

結果表明，在某一起始值 Z0（Z0 定義為粒狀結構結構剛性所需的臨界接觸數）之後，表觀彎曲模量隨著平均接觸數單調增加。

作為比較，研究人員還模擬了由互鎖的環形和方形顆粒組成的經典鏈甲層的兩層堆疊，來自這些經典的鏈甲層的結果也遵循先前觀察到的冪律縮放。

未來作用

這種下一代新型智能織物的成形能力對於可穿戴應用和可重構結構尤其重要，或將預示穿戴式可重構結構的光明前景，例如軍隊中士兵的輕質盔甲、運動領域中運動員防護裝備，醫療康復領域中卒中患者的康復器械，以及養老醫護領域可幫助老年人站立、行走和搬運物品的科技外骨骼等等。

這項突破性的跨學科的研究被發表在著名的《自然》雜誌上，是機械工程和先進位造專家之間強強合作的結果。

作者發言

論文的第一作者，NTU的助理教授Wang Yifan

論文的第一作者NTU的助理教授Wang Yifan表示，他們的研究具有科學和工業意義，是一種在醫學和機器人系統中應用一種新的平台技術。「採用一種輕而可調的工程面料，我們可以用它來滿足患者和老齡化人群的需求，例如創造出外骨骼幫助他們站立、負重和幫助他們完成日常任務」。來自NTU機械和航空航天工程學院的助理教授Wang Yifan，他在加州理工學院擔任博士後研究員時就開始了這項研究。

「受古代鏈狀鎖子盔甲的啟發，我們使用了聯鎖的塑料中空顆粒來提高可調織物的剛度。為了進一步提高材料的剛度和強度，我們現在正在研究由包括鋁在內的各種金屬製成的織物，它可以用於需要更高負載能力的更大規模的工業應用，如橋樑或建築。」