天大《AFM》：三维可编程超材料！

机械超材料因其非常规的性能而引起人们极大的研究兴趣，这些特性来自于单元的微观结构。形状配置是实现结构或系统不同性质的可编程性的一种有效方法，而现有的研究主要集中在多自由度系统或沿单一运动路径变形的有限配置上。

 

来自天津大学的学者从一个单自由度的Wohlhart多面体模型出发，通过运动学分叉沿着多个运动路径探索其有趣的拓扑变换，并伴随着可调的力学性质，包括泊松比、手性和坚硬度。此外，这些模块被镶嵌成3D超材料，以利用它们的可重构性在负泊松比、正泊松比、甚至零泊松比的大范围内独立地编程正交平面中的泊松比，甚至是零泊松比(Poisson‘s Ratio)。这项工作为基于单自由度系统运动分叉的可编程超材料设计开辟了新的途径，可方便地应用于柔性超材料、变形结构和可扩展结构等领域中的变形系统。相关文章以“3D Programmable Metamaterials Based on Reconfigurable Mechanism Modules”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202109865

 

图1.模块的机构基础。a)沃尔哈特多面体由PLGs和立方体连接件连接而成。刚性连杆、方形中心体和立方体连接件的几何图形(左)。顺时针旋转PLG和逆时针旋转PLG的视图(中间)。沃尔哈特多面体概述(右)。b)Wohlhart多面体的运动分叉。c)样机从EC^f₁到LT^f_z的往复过程，a=80 mm，b=40 mm。

 

图2.单个模块的机械属性。a)运动路径，以及典型配置的全景、前视和俯视图。b-d)当a/b=2时，EC、EP和LT路径上模的理论泊松比和实验泊松比。用数字图像相关系统(DIC)测量试件上的黑色散斑尺寸。e)不同路径上的模块的坚硬度。

 

图3.具有(m_z+n_z)模块的串联组件，m_z模块处于PPR状态，而n_z模块处于NPR状态。a)两个模块组件的示意图，其中一个模块处于PPR状态(标记为“1”)，另一个模块处于NPR状态(标记为“0”)。b)重新调整模态以调节n_z/m_z。c)a/b=2的m_z PPR和n_z NPR组件的串联组装及其泊松比ν_HB的等高线图。d，e) n_z/m_z=2和n_z/m_z=1/2时串联的三个模块的理论泊松比和实验泊松比的比较图。

 

图4.具有机构模块3D镶嵌的超材料。a)通过在3D空间中镶嵌系列组件而创建的3D超材料的设计方案I。b)三维超材料的设计方案II，分别在x、y和z方向上具有(m_x+n_x)、(m_y+n_y)和(m_z+n_z)模块，以形成立方体网格的框架。

 

本文通过对Wohlhart多面体的运动学分析，揭示了该机构有EC、EP和LT三条运动路径，分别位于分岔点B0和B_x/B_y/B_z。以单一机构为模块，通过分叉可以在EC、EP和LT路径下不同的泊松比、NPR、PPR和ZPR之间进行切换。因此，泊松比可以随模体的运动而调节，但对几何参数不敏感。由于模块的可重构性，通过调整−∞和+∞状态模块的数目比例，可以在PPR到NPR的大范围内对正交平面上的泊松比进行独立编程，大大提高了具有可编程泊松比的三维超材料设计的灵活性。 （文：SSC）

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