具有可变机械性能的结构化织物.docx

01?

??结构化织物的简介：

??结构化织物，如编织板或锁子甲盔甲，不同于一般意义上的材料，其性能不仅来自于材料本身，还依靠于其复杂的几何形状和结构单元的相互作用。它们的三维架构和拓扑结构可以针对不同的实际需求而进行设计，例如抗冲击性、可穿戴性、松弛性等。对于一般的材料而言，一旦制备成型之后其力学性能通常是基于本身的性质固定不变的。而本文介绍了一种不同于一般材料的，具有可调机械性能的结构化织物。

??这类结构化织物由中空的结构单元组成，通过桁架连接构成三维分层的结构。利用了类似于锁子甲的复杂形状，将每个相同的结构单元锁合起来，形成相互串并联的、纵横交错的二维、三维织物。当织物的某一部位受到压力时，附近的结构单元会发生互锁，形象看来就是锁子甲会卡住，互锁现象的发生使得被锁定的结构形成一个稳定的锁定刚性整体，充当主要的承力部位，其次单位结构的集中受力则会通过挤压和形变被传递到附近的单元，再依靠结构之间的摩擦和变形而将主要的能量吸收，实现卸力和抗冲击。当织物没有受到外力时，单元结构在锁定区间内存在一定的自由活动空间，这使得织物可以像毛衣一样实现折叠、扭转、弯曲等形变，展现出柔软的特性，这是实现结构化织物可穿戴性的关键所在。

图1?可穿戴结构化织物的3D建模和实物展示

02?

??可变机械性能的原理：

??结构化织物这种根据外界刺激而改变刚度的特性是源于阻塞相变，即当受到外界冲击时各个织物单元产生位移和形变，外界刺激越强，各个单元之间的相互制约和阻塞就越强，由此体现出更高的刚度，同时外界冲击强度被分散至各个结构单元，可以有效抵挡外力；外界刺激较弱时，各个单元间的相互作用较弱，可以自由变形，因此织物整体容易形变，体现出柔性。由图3可得知，外力刺激越大，其刚性越强。这种阻塞相变可以用日常生活中的现象来解释，例如装在袋子中的大米，如果尝试将大米从一个较小的开口中倒出，那么由于米粒之间的相互阻塞和制约，将在开口处形成阻塞层，阻塞层可以很好地抵挡上方的压力，导致开口被严密地封堵住。

图2?不同外力作用下织物的力学性能变化情况

03?

???结构化织物的制备：

??根据上述引发原理，若仿照米粒原型来引发阻塞效应，那么则需要大量的多层结构单元才能实现，这将会导致织物整体重量太重，无法组成织物。因此通过拓扑互联的办法，利用中空结构单元的相互连接来降低整体的密度并且增强单元之间的接触。此外，将结构单元设计成八面体，它们具有90°的旋转对称性，能够在互锁的构型中形成方形的二维晶格，并且它们的尖角增加了层之间的接触，使层间的力传导更好。由图3可以得知在承担相同载荷的情况下，八面体结构所需的单元数目比其他各个形状的单元数目都要少。得益于3D打印技术，可以打印出具有如此复杂形状的中空结构单元，再将各个单元之间锁合，形成一整张织物网络，这样就制成了轻量、自由形变、可柔可刚的织物。

图3?承担应力与连接结构数目的变化关系

04

??结构化织物的应用：

??根据上述原理，无序的系统能够在具有流体的塑性或固体的刚性之间可逆切换，并伴有堆积密度的变化。结构化织物可以被用于制造具有自适应机械性能的智能材料、轻质自适应的防弹衣、可穿戴外骨骼等等。

??在可穿戴领域，可变刚度织物不仅能够用于制作具有保护性能的服装，在生物医用方面更具备强大的应用前景。由该材料制备的例如可穿戴外骨骼、关节保护器、肌肉复健器等，不仅能够提供保护性、支撑力、辅助力等，由于其相互阻塞的颗粒互锁结构，还提供了强大的减震除颤作用。

??其刚度可变的特点使得这一材料不仅为高性能织物创造了全新的思路，更为新一代软机器人的发展奠定了基础。在机器人领域，传统的刚性器件均可以用这一可调节刚度的新材料代替。通过这一材料构建的机器人肢体和外骨骼不仅可以仿生人类的肢体，还拥有强大的可设计性，从而制造出满足各种作业的机器人。例如，手掌形的拟人化的可变刚度抓手，如图5所示，这种夹持器具有柔软质地，同时对不同形状的物体适应性强，只需要很小的驱动力，并且可以必要时体现出强大的抓取力量。该材料的动态性也可以充当机械运动的传感装置，结合计算机强大的机器学习能力和算法，在未来与人工智能相配合将焕发出无限的可能性。

图4可变刚度抓手

??在建筑和结构件领域，受这一新材料的影响，诞生了可变刚度的蜂窝、可驱动的蒙皮结构、扭转-压缩材料、多孔隙结构、颗粒结构等。随着这一新材料的应用，机械、建筑领域正朝着结构动态化、可驱动化、自动调节化发展。例如机械臂可以像人类的手臂一样发生柔软的弯曲、摆动、形变，同时也可以输出较大的机械力对外做功。又如建筑物受到冲击时刚度增大同时自我缓和一定的冲击，使得建筑不被损毁；遭遇地震时，由于其动态性、柔性的结构，可以保证建筑框架不发生脆性断裂，而卸掉大部分作用力；风