智能可編程機(jī)械/力學(xué)超材料設(shè)計(jì)新方法！可自由變換軟硬
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化。智能材料是智能裝備與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
其中，材料彈性的調(diào)節(jié)對(duì)于智能機(jī)器、機(jī)器人、飛機(jī)和其他系統(tǒng)非常必要。然而，常規(guī)材料一旦制備，特性就幾乎不能改變，部分材料在高溫相變時(shí)才能呈現(xiàn)一定的調(diào)節(jié)性，不具有工程實(shí)際可操作性。機(jī)械/力學(xué)超材料是具有超出常規(guī)材料力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)功能材料，為高性能裝備設(shè)計(jì)提供了前沿技術(shù)支撐，但傳統(tǒng)超材料設(shè)計(jì)方法依然無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的參數(shù)控制，需要顛覆性設(shè)計(jì)思維才能突破該瓶頸。
國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院振動(dòng)與噪聲控制研究團(tuán)隊(duì)提出一種原創(chuàng)性的智能可編程機(jī)械/力學(xué)超材料設(shè)計(jì)方法，他們提出了基于多功能動(dòng)態(tài)基元和易變-牢固耦合模式的智能可編程機(jī)械/力學(xué)超材料設(shè)計(jì)范式，設(shè)計(jì)了系列基于齒輪的智能超材料，突破了宏觀與微觀、金屬基和復(fù)合材料基超材料的集成一體化制造和集成驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)金屬基材料的大范圍、連續(xù)、快速調(diào)節(jié)。通俗來說，該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一個(gè)由齒輪制成的智能材料，它可以根據(jù)不同的“命令”，在齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，使堅(jiān)固的材料變得更堅(jiān)硬、變軟或變形。
超材料的可調(diào)性取決于其內(nèi)置中空部分的形狀。想要實(shí)現(xiàn)機(jī)械性能可調(diào)但堅(jiān)固的固體，需要確保在大作用力下的可調(diào)性和強(qiáng)耦合(可靠連接)，同時(shí)避免在調(diào)整時(shí)發(fā)生塑性變形。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這種可變而又強(qiáng)的耦合可以通過齒輪簇實(shí)現(xiàn)，可靠的齒輪嚙合可以平穩(wěn)地傳遞旋轉(zhuǎn)和沉重的壓縮載荷，剛度梯度可以內(nèi)置到單獨(dú)的齒輪體中，也可以通過分層齒輪組件實(shí)現(xiàn)。齒輪組可以組裝成單元組，單元組恰當(dāng)排列就可形成超材料。
研究團(tuán)隊(duì)從太極圖中獲取靈感，最終設(shè)計(jì)了形似太極圖的齒輪，其形狀以螺旋方向?yàn)樘卣鳎梢蕴峁┢交淖兓蜆O性。經(jīng)驗(yàn)證，這種微型試件的等效模量Ey(θ)可以平滑地調(diào)整35倍(從8.3 MPa到295 MPa)。其意味著即使是在微尺度上，基于齒輪的集成超材料也可以通過三維打印直接制造。這種集成制造的主要挑戰(zhàn)是確保嚙合齒不會(huì)融合在一起，但仍能有效地參與嚙合。
團(tuán)隊(duì)使用行星齒輪簇創(chuàng)建了一個(gè)層次分明的超材料，其可調(diào)性來自元胞內(nèi)齒輪的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。對(duì)于組裝的超材料，所有的太陽(yáng)齒輪通過軸連接到傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪上，這些傳動(dòng)齒輪緊湊地耦合在一起。因此，只需要旋轉(zhuǎn)其中的幾個(gè)傳動(dòng)齒輪就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有元素的重新配置和調(diào)節(jié)。研究團(tuán)隊(duì)所涉及的超材料可在很大的壓縮力下保持穩(wěn)定，并在剪切時(shí)顯示出較大的剛度。
這種基于齒輪的力學(xué)超材料是使機(jī)器部件實(shí)現(xiàn)剛度可調(diào)的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)穩(wěn)定的可行途徑，有著廣泛的應(yīng)用潛能。對(duì)于機(jī)器人，可調(diào)剛度腿/執(zhí)行器能夠提供高剛度以在行走時(shí)穩(wěn)定支撐重物，低剛度以在跳躍或跑步時(shí)提供減震保護(hù)；航空發(fā)動(dòng)機(jī)掛架系統(tǒng)中需要類似的可調(diào)剛度隔離器，以在不同飛行階段保持最佳性能和效率。并且還可以通過使用錐齒輪、將平面齒輪組裝成分層結(jié)構(gòu)或合成不同類型的齒輪來設(shè)想3D超材料，利用集成制造將這些可調(diào)特性連接起來，以生產(chǎn)堅(jiān)固的多用途設(shè)備。
(資料來源：中國(guó)科學(xué)報(bào))
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