2022
10/13
相关创新主体

创新背景

研究人员想要制造一种可以根据指令改变硬度的材料。就像2005年电影《蝙蝠侠:开战时刻》中蝙蝠侠的斗篷,它通常是灵活的,但当蝙蝠侠需要它作为滑翔表面时,它可以随意变硬。

以类似方式改变性能的材料已经存在于人们的周围,例如真空密封袋装的咖啡。当它仍然被包装时,它是固体的,一旦打开包装,咖啡渣就不再相互挤压,可以像倒液体一样倒它们。

 

创新过程

单独的咖啡渣和沙粒具有复杂但互不相连的形状,只有在压缩时才会堵塞。然而,在压缩和拉力(当被推到一起或被拉开时)下,连接在一起的环片会阻塞在一起。研究人员测试了一些粒子,看看哪些粒子既具有灵活性,又具有可调节的刚度,而那些只在一种压力下卡住的粒子往往表现不佳。

由连接的八面体制成的材料。

为了探索哪种材料最有效,研究人员设计了许多连接粒子的配置,从连接环到连接立方体到连接八面体(类似于两个底部相连的金字塔)。在科学家道格拉斯·霍夫曼的帮助下,这些材料用聚合物甚至金属进行了3D打印。

测试材料在未加电(软)时的抗冲击性。

测试材料在刚性时的抗冲击性。

工程师们施加外部应力,用真空室或扔下重物来压缩织物,以控制材料的卡位。在一项实验中,一种真空锁紧链甲织物能够承受1.5公斤的载荷,是该织物自身重量的50多倍。机械性能变化最大的织物(从柔韧到坚硬)是那些颗粒之间平均接触次数更多的织物,如连接的环和方形,类似于中世纪的锁子甲。

 

创新关键点

在一项实验中,一种真空锁紧链甲织物能够承受1.5公斤的载荷,是该织物自身重量的50多倍。机械性能变化最大的织物(从柔韧到坚硬)是那些颗粒之间平均接触次数更多的织物,如连接的环和方形,类似于中世纪的锁子甲。

 

创新价值

这种材料有潜在的应用潜力,可以作为智能外骨骼织物,或者作为一种自适应铸件,在伤口愈合时调整其硬度,甚至可以作为一个可展开并加固的桥。此外,这项研究可能对远程协作、医疗设备和触觉学(利用技术模拟虚拟现实中的物理感觉)等物理组件非常有用。

 

The new material can change from flexible to rigid under pressure

Individual coffee grounds and grains of sand have complex but disconnected shapes that clog up only when compressed. However, under compression and tension (when pushed together or pulled apart), the connected rings can block together. The researchers tested a number of particles to see which ones had both flexibility and adjustable stiffness, while those that stuck under only one pressure tended to perform poorly.

To explore which material works best, the researchers designed a number of configurations of connecting particles, from connecting rings to connecting cubes to connecting octahedrons (similar to two pyramids connected at the bottom). With the help of scientist Douglas Hoffman, these materials have been 3D printed using polymers and even metals.

Engineers apply external stress, compress the fabric with a vacuum chamber or drop heavy objects to control the material's placement. In one experiment, a vacuum-locked chainmail fabric was able to withstand a load of 1.5 kilograms, more than 50 times the fabric's own weight. The fabrics with the greatest variation in mechanical properties (from pliable to stiff) are those with a greater average number of contacts between particles, such as connected rings and squares, similar to medieval chain mail.

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