多稳态机械超材料在设计制造和应用方面的演变

南京大学的研究人员回顾了多稳态机械超材料的设计、制造和应用的最新研究进展，该材料具有在外部载荷下在多种稳定构型之间切换的卓越能力。可重复使用性的实现使这些创新超材料适用于广泛的工程应用，包括能量吸收、软执行器/机器人、机械存储、逻辑运算和波控制。

这项研究发表在 《国际极限制造杂志》上，首先对常见的双稳态单元进行了总结和分类，从而为双稳态评估奠定了基础——这是现有研究中先前未充分探索的一个方面。然后从能量角度审视双稳态结构的机械性能。

在多稳态机械超材料制造领域，该研究不仅介绍了切割等传统的减材制造方法，还重点关注了包括3D/4D打印在内的尖端材料加工技术。鉴于多稳态机械超材料的优异性能，其应用潜力广泛延伸到能量吸收、软机器人和波浪控制等领域。最后，研究深入分析了多稳态机械超材料领域的未来研究方向和面临的挑战。

“多稳态机械超材料非常棒——它们可以在不同的稳定形状之间切换，使设备可重复使用。此外，它们的能量势垒可以方便地吸收和存储能量。当它们从一种稳定状态转变为另一种稳定状态时，它们会快速释放应变能，从而使得它们非常高效，可以快速行动。最棒的是，它们不需要持续的能量供应来实现稳态变形。它们还具有丰富的变形能力，可以做各种很酷的事情。”卢明辉说南京大学工程与应用科学学院教授，​​该研究的资深作者。

“这些特性使得多稳态机械超材料在许多领域具有广泛的应用前景，例如软执行器/机器人、机械存储/逻辑运算、能量吸收、波控制等。”卢补充道。

“无论是在自然界还是在我们的日常生活中，我们到处都可以找到双稳态结构。维努的捕蝇草叶子从“打开”到“关闭”，或者蜂鸟的喙在短短几毫秒内突然关闭以抓住美味的昆虫。就连开关、瓶盖、笔帽、塑料扣、扎带、弹跳玩具球、卷尺、发夹等日常用品都采用双稳态设计。”南京理工大学机械工程学院教授李欣 说和技术。

李说：“我们将这些常见的双稳态结构分为三类，填补了以往研究的空白。它们是：梁、桁架和柔顺机构;曲面和薄壳结构;以及其他结构，如剪纸和卡扣配合结构。 ”

多稳态机械超材料的制备是其工程应用的先决条件，并且关于这些超材料的制造方法有多种。然后，李解释道：“ 除了传统的减材制造(例如切割(使用机器或激光)和模具铸造)之外，还有一种叫做 3D/4D 打印的新事物正在疯狂发展。这项技术在过去几年中取得了长足的进步。并且使创建那些复杂的多稳态机械超材料变得非常容易。特别是在以高精度打印它们或以不同尺寸制作它们时，3D/4D 打印获得了一些巨大的优势。 ”

对于多稳态机械超材料的未来发展，陆说：“人工智能是目前的热门话题，特别是在设计、建模和优化事物方面。因此，如果我们将良好的传统设计和仿真方法与人工智能相结合，我们就可以设计这些超材料。”小菜一碟。一切都是为了简化流程、关注关键参数并提高设计效率。 ”

“我对多稳态机械超材料的未来感到非常兴奋，因为有一些很酷的新型制造技术。以微纳 3D 打印为例。PμSL 和 TPP 等技术改变了游戏规则，让我们能够创造出这些微小的多稳态材料结构。”

“此外，当我们使用一流的材料和先进的 3D 打印和后处理技术时，我们不仅让它们看起来不错，还让它们变得坚韧——强度和所有这些爵士乐。它打开了使用的大门这些多稳态机械超材料应用于航空航天、医学、电子和机器人等各个领域。我们甚至可以使用软驱动材料和 4D 打印魔法来制造这些超材料。这意味着我们可以用电、光等各种东西来控制它们、温度、pH值、溶剂、湿度和磁场。 ”Lu评论道。

多稳态机械超材料的应用也面临着诸多机遇和挑战。”在能量吸收方面，与通常的材料相比，它们在吸收能量方面并不出色。但有一个解决办法!我们可以调整设计，使用高能量密度材料，将它们与常规能量吸收器混合，甚至创建多级能量吸收装置来增强效果。我们可以通过加入一些对外部信号做出反应的材料来使这些结构根据命令弯曲和弯曲。这种超快速变化的形状使它们非常适合快速为软机器人和执行器提供动力。这些双稳态结构可以将数据存储为二进制状态，而不需要电源。这意味着它们可以应对一些严重恶劣的环境，如高辐射、酷热或高压。当你将它们与机械计算结合起来时，你就拥有了能够自行思考和适应的机器。 ”卢说。

近十年来，科学家们对多稳态力学超材料的研究表现出了极大的热情，并取得了令人瞩目的成果。团队相信，多稳态机械超材料理论和制造技术的不断完善将极大促进其在更多工程领域的应用。

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