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超材料可从柔性“秒变”刚性

来源:科技日报   更新时间:2018-12-13 10:16:38    

  美国研究人员使用机械超材料(具有自然界中不存在的独特机械性能)开发出一种新型材料,可响应磁场从柔性变为刚性,在智能可穿戴设备和柔性机器人中具有广泛应用前景。

  当前的机械超材料有着吸引人的特性,如负热膨胀,低重量时的高强度和高刚度。但一旦构建完成,其属性将无法更改或调整。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和加州大学圣地亚哥分校共同开展的新项目,旨在利用磁场创造一种具有动态可调机械特性的机械超材料,同时又不会引起显著的形状变化。

  他们采用了所谓的4D打印技术,其得名于3D打印物体可随时间改变形状,时间是第四维度。通常,这种类型的结构会对刺激(热、水化作用或磁场)作出响应而改变形状。

  研究人员开发的场响应超材料(FRMM)可根据磁场的变化改变其性质。然而,与典型的4D打印材料不同的是,其不会改变整体形状,而是改变刚度。

  其制造过程是,首先通过3D打印制作机械超材料,该材料由空心梁而非典型的实心梁构成。打印出中空管状超材料后,将磁流变流体注入梁芯,完成场响应超材料的制造。磁流变流体由磁性颗粒构成,悬浮在非磁性介质中。当流体存在磁场时,磁性粒子沿磁场线排列成链,增加了流体的刚度,从而同时增加了整体结构的刚度。当磁场被移除时,流体表现为液体,能够自由流动。

  研究人员表示,这种磁机械效应不仅仅是一个开关响应,结构的刚度还可通过施加的磁场强度进行调整。通过仔细选择管状结构,场响应超材料的机械性能可在不到一秒的时间内显示出高达318%的拉伸刚度。

  研究人员认为,场响应超材料可用作柔性机器人中的可变刚度接头,并可集成到智能可穿戴设备中,这些可穿戴设备在没有磁场的情况下是灵活的,但在检测到威胁时可改变属性以吸收冲击或振动。(记者冯卫东)

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