南洋理工大学 l 多材料3D打印热响应机械超材料，用于高能量吸收

3D科学谷洞察

把笨重的 3D 缓冲垫变成一张像布一样轻、可折叠、可反复用的 3D 打印‘智能网’，用 TPU+PLA 双材料 3D 打印“剪纸式”双稳态单元，批量成网。既能按编程逐级吸能又能一键复位，可切入汽车防撞、物流减震、运动防护、无人机回收等百亿级安全市场，并为高端吸能包材提供可循环替代方案。”

机械超材料具有可调刚度、大变形和多稳态特性，在能量吸收领域前景广阔。然而，三维结构往往笨重且难以制造，而传统的二维柔性安全防护网面临取舍困境：柔性网缺乏能量耗散能力，刚性网则笨重且不可重复使用。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

为解决这一问题，文中提出了一种基于热响应双稳态剪纸单元、通过双材料3D打印（采用热塑性聚氨酯TPU和聚乳酸PLA）构建的可编程多稳态超材料网络（metanet）。该超材料网络结合局部加热，实现了高能量吸收与可编程多步变形的统一。

Fig.1：多稳态超材料网络的设计概念与双模态功能

这项工作解决了现有吸能结构的关键局限性。传统二维安全防护网无论是柔性还是刚性，都无法完全满足能量吸收的设计标准，并且存在固有的性能折中问题。同时，三维吸能结构虽然有效，但面临安装复杂和笨重等挑战。通过利用多稳态特性，所提出的3D打印超材料网络克服了这些限制，实现了可重复使用性、大挠度、不可逆能量吸收以及可编程变形，使其成为下一代安全防护网极具前景的替代方案。

Fig. 2：不同几何构型超材料网络的力学响应

尽管具有诸多优势，目前的多稳态超材料网络仍存在一些挑战。可编程控制仍较复杂，由于电路设计限制难以实现单个单元的独立驱动，限制了变形控制的精度。此外，聚乳酸（PLA）在加热过程中储能模量的变化导致材料刚度不一致，可能影响能量吸收性能。然而，由于冲击载荷和可编程驱动不会同时发生，这一限制对实际应用影响甚微。总体而言，文中的设计3D打印超材料网络有效解决了传统安全防护网的局限性，同时为基于超材料的能量吸收系统提供了新的可能性。

Fig.3：可编程双层多稳态超材料网络的设计、控制与变形

Fig. 4：多稳态超材料网络的可编程冲击行为

文章标题：Thermally Responsive Multistable Metanet with Enhanced Energy Absorption Capacity

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202510749

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