南洋理工王一凡教授《Nature》：3D打印可控制刚度的智能穿戴材料

来源：高分子科技

大部分智能穿戴材料通过集成电子元件和感应器来达到测量和通讯的目的。然而，这些穿戴材料的力学特性在制造以后通常是不可变的。可控刚度织物在软的状态下可以作为柔性的可穿戴材料，变硬以后能够起到保护和支撑作用。这种先进材料可广泛应用于医疗器件，外骨骼设备，机器人等领域中。

8月11日，美国加州理工学院Chiara Daraio教授和新加坡南洋理工大学机械航空学院王一凡教授合作在顶级综合期刊《Nature》上发表了一种基于拓扑互锁颗粒材料的可3D打印智能织物。该织物由古代的链甲（锁子甲）启发，由三维结构颗粒之间的拓扑互锁连接而成。将该织物封装进柔性气囊并加负压后，互锁颗粒之间的接触点数急剧增加形成阻塞相变（jamming transition），大幅提高织物的刚度和强度。南洋理工大学王一凡助理教授（原加州理工博士后）和加州理工博士生李柳池为论文共同一作，加州理工学院Chiara Daraio教授为论文通讯作者。

图一  拓扑互锁智能织物的示意图以及刚度的控制

如图一所示，设计好的智能织物由中空的正八边形颗粒组成，并可以用激光烧熔打印技术(SelectedLaser Sintering)将整张织物一次打印。由于颗粒中空的架构，整张织物密度很小（~0.2g/cm3），与传统织物类似，并且相当柔软。当织物封装于柔性气囊并加负压后，刚度增加25倍以上并能承受大于本身50倍的重量。

图二 不同颗粒架构形成的织物弯曲刚度和颗粒接触点数的关系。

除了正八边形的架构，该课题组还研究了不同的颗粒架构对织物整体刚度的影响（图二）。在将来可以通过对颗粒几何形状的拓扑优化或者机器学习，来达到最大化该织物刚度的最优结构。

图三  织物的形状可重构，可调节冲击保护，以及不同尺度下的应用。

视频一 织物在柔性状态下的冲击吸能效果。

视频二 织物在刚性状态下的抗冲击效果。

在可调节刚度以外，该智能织物还有形状重构的优点：在柔性状态下可以调整成随意形状，然后通过阻塞相变固定在该形状 （图三）。同时该织物在不同刚度下还具备可控的抗冲击效果，对于防护穿戴设备（如防弹衣等）有广泛应用（视频一，二）。在更大的尺度上，该织物还可以用来做成可重构的建筑材料，如可重构房屋，桥梁等。为了增加结构的刚度和强度，该团队还完成了织物的金属打印（如铝合金）。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03698-7.pdf