浙江大学邹俊教授《NSR》：“驱材一体”才是未来？——一种具有形状锁定和可调蓄能的相变机械超材料

通过将机械超材料与柔性智能材料相结合，可以在外部刺激下改变其形状、性质和功能的活性机械超材料近年来得到了研究人员的广泛关注。近期，浙江大学机械工程学院邹俊教授课题组报道了一类具有可定制结构和变形的相变机械超材料，通过磁场辅助实现快速可逆的形状锁定和可调的蓄能，并集成了气液相变的主动可逆大变形和硅胶基体的拉伸性，此外通过一系列应用展示了相变机械超材料在机器人领域广泛的应用前景。该工作以“Phase-transforming mechanical metamaterials with dynamically controllable shape-locking performance” 为题发表在顶级综合期刊National Science Review(NSR, 国家科学评论) (IF= 20.6)上。博士生仲一丁为论文第一作者，唐威博士和邹俊教授为论文通讯作者。

研究背景

构建具有可定制结构和变形、主动可逆变形、快速可逆形状锁定、可调蓄能和可拉伸性的活性机械超材料，在软体机器人和柔性电子等领域中具有广泛的应用前景。然而由于这些特性的相互冲突，目前缺乏将这些特性集成于单个活性机械超材料系统中的研究。针对上述挑战，我们提出了一种相变机械超材料，结合了现有气液相变复合材料和活性机械超材料的优势，并具有动态可控形状锁定性能。

结构和原理

相变机械超材料由一系列以定制模式周期性排列的双层基本驱动单元组成。通过控制相变机械超材料的图案配置以及相变机械超材料与其基本驱动单元之间的位置关系，可以定制复杂多样的结构和变形。双层基本驱动单元包括使用磁响应气液相变复合材料的主动层和磁响应应变限制层。通过在硅胶基体中集成低沸点流体和羰基铁粉，磁响应气液相变复合材料兼具主动可逆大变形、动态可控形状锁定和可拉伸性等功能特性。通过联合调控热、磁条件，基于两种工作模式，相变机械超材料可以在初始、变形、形状锁定、蓄能、快速变形等状态之间循环变化。借助永磁体提供的磁场，相变机械超材料通过磁辅助快速可逆形状锁定消除保持变形所需的持续能量输入，通过磁辅助可调蓄能和释放提高驱动响应速度。

相变机械超材料的结构和原理

理论模型与仿真

为指导相变机械超材料的设计，我们通过理论模型定量预测磁响应气液相变复合材料在不同温度下的变形特性，并通过有限元仿真分析超材料在不同状态下的变形，此外分析了超材料在不同工作模式下的受力情况以说明其形状锁定和蓄能的原理。

相变机械超材料的理论和仿真

可定制结构与变形

在有限元仿真的指导下，通过以不同的图案配置布置一系列双层基本执行单元，可以实现相变机械超材料复杂多样的可定制结构形式和变形种类，并可应用于不同的工作模式，从而适应各种不同的应用场景。

各种图案配置的相变机械超材料的设计、仿真和演示

工作模式1

工作模式2

功能增强和应用

得益于相变机械超材料的上述特性和功能，基于不同的工作模式，研究人员演示了一系列功能增强与应用，包括通过区域选择性编程设计超材料、可按需变形和锁定形状的可重构天线、可调成像的软透镜、软机械存储器、可编程变形和锁定手势的仿生手、快速响应的仿生捕蝇草，以及快速响应的自包含软抓手，展示了相变机械超材料在机器人领域广泛应用的潜力。

编程超材料、可重构天线、软透镜、软机械存储器

仿生手、仿生捕蝇草、自包含软抓手

软机械存储器

仿生捕蝇草

自包含软抓手

总结

该相变机械超材料具有以下特点：

（1）可定制：可被定制为复杂多样的结构和变形，并可实现区域选择性编程；

（2）无功耗变形保持：通过磁辅助快速可逆形状锁定消除保持变形所需的持续能量输入；

（3）快速响应：通过磁辅助可调蓄能和释放提高驱动响应速度；

（4）兼具主动可逆变形和可拉伸性：结合可逆液气相变和可拉伸硅胶基体。

https://doi.org/10.1093/nsr/nwad192

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！