哈工大冷劲松教授团队《Adv. Funct. Mater.》: 4D打印可重构像素力学超材料

来源：高分子科学前沿

力学超材料是由精细设计的微结构组成的复杂人造结构，在宏观上展现出常规材料所不具备的力学性能，如：拉胀、多稳态、负热膨胀和拉扭耦合变形等。力学超材料通常由周期性互连的微结构排列构成，制约其变形能力和可维修性。此外，超材料的宏观力学性能受控于组成微结构的几何构型，意味超材料在制备后力学性能固定，缺乏可重构能力。

针对上述问题，哈尔滨工业大学冷劲松教授课题组近日在《Adv. Funct. Mater.》上发表题为“4D Pixel Mechanical Metamaterials with Programmable and Reconfigurable Properties”的文章。

像素力学超材料是由个体间非耦合约束变形的力学像素阵列构成。与屏幕通过改变像素点颜色调整图像类似，像素力学超材料通过改变力学像素的构型和排布方式调节其宏观力学性能，提高了结构的设计自由度、结构/力学性能的多样性、模块化和可维修性。

受生物组织卷曲、缠绕状的胶原纤维启发，将螺旋状韧带引入手性结构中并结合4D打印技术，设计并制备了具有力学性能（非线性应力-应变、扭转角-应变行为）可调节和可重构的拉扭耦合力学像素（图1a）和像素力学超材料（图1b）。

图1 （a）具有拉扭耦合变形特性的力学像素及（b）像素力学超材料。

力学像素的微结构由螺旋状韧带和立方体节点组成，根据韧带与节点的连接方式可分为左手性和右手性模式（图2a）。微结构的几何参数（Lx/Ls， Ly/Ls，L0/Ls，Lω/Ls，Rα/Ls，d0/Ls，ω，np）决定了力学像素的构型和力学性能，为调节和设计力学像素的力学行为（应力-应变、扭转角-应变行为）创造了机会，并展现出轻质特点（图2b）。揭示了力学像素从弯曲主导变形模式转变至拉伸主导变形模式的变形机理，验证了力学像素非线性力学行为的可重构特性（图2c~d）。

图2 （a）韧带的不同手性模式，（b）力学像素具有轻质特点，（c）应力-应变曲线及（d）扭转角-应变曲线的可重构特性。

力学像素的扭转角度和扭转方向可以通过改变其几何参数和手性模式进行调节。将具有不同手性模式的力学像素周期性排布，制备成密码传递装置。在拉伸变形下，密码传递装置中的每个力学像素产生不同方向的扭转变形，使信息“H”从加密状态（图3a）转换至解密状态（图3b）。此外，材料的形状记忆特性可以使该装置从解密状态（图3b）回复至加密状态（图3a）。

图3 密码传递装置:（a）加密状态（b）解密状态。

力学像素的韧带构型和节点间距为制备缓冲装置创造了机会。利用材料的形状记忆特性，调节缓冲装置中力学像素的构型，以实现装置的不同缓冲效果。当鸡蛋在500mm的高度自由落体至编程的缓冲装置时，鸡蛋立即破碎（图4a）。当鸡蛋在1000mm的高度掉落至未编程的缓冲装置时，鸡蛋仍能保持完整（图4b）。

图4 鸡蛋自由落体至缓冲装置:（a）编程状态（b）未编程状态。

论文的第一作者为哈尔滨工业大学博士生辛晓洲，哈尔滨工业大学冷劲松教授和刘立武教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金的大力支持。
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论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107795