科學(xué)研究：有100種形態(tài)變化的材料構(gòu)件

在荷蘭原子與分子物理研究所巴斯·奧弗韋德（Bas Overvelde）的實(shí)驗(yàn)室中，那些類似雕塑的器件并不像它們看上去那么簡(jiǎn)單。這些器件由多層棱形構(gòu)件組成，每個(gè)面都由活動(dòng)的鉸鏈連接，可以輕松地變換形態(tài)。例如，從三維星形變?yōu)閳A柱形或者球形等等。

想象一下經(jīng)典的“拍拍圈”（slap bracelet，一種條狀產(chǎn)品，掰動(dòng)后可卷成環(huán)狀的手環(huán)），奧弗韋德介紹說，這種產(chǎn)品具有兩種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，一種是筆直狀態(tài)，另一種是卷曲狀態(tài)。在奧弗韋德實(shí)驗(yàn)室中展示的器件更厲害，在受到外力時(shí)，可以沿著多個(gè)鉸鏈折疊，實(shí)現(xiàn)數(shù)十種可預(yù)測(cè)的形態(tài)。

除了這些已經(jīng)制作好的實(shí)體構(gòu)件，奧弗韋德還與同事開展了計(jì)算機(jī)模擬，探索更復(fù)雜的裝配方式，這個(gè)過程讓他們發(fā)現(xiàn)了很多極具潛力的組合形態(tài)。一些大型的虛擬構(gòu)造已經(jīng)具備超過100種穩(wěn)定的裝配狀態(tài)。相關(guān)研究發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）雜志上。

通過一定的設(shè)計(jì)和模擬，研究人員可以讓這些構(gòu)件在外力的影響下變?yōu)橹付ǖ男螤?。通過這些工作，研究人員希望能簡(jiǎn)化微型機(jī)器人的制造，以及一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料的制造。如果這些組件能輕松地變成所需的穩(wěn)定形態(tài)，那么用于彎折或者組裝它們的工具也會(huì)大大減少。

此外，某些特定形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)還可以增加構(gòu)件的強(qiáng)度和彈性。奧弗韋德說：“鳥類的骨骼具備一種微結(jié)構(gòu)，能夠在減輕質(zhì)量的同時(shí)保持骨骼的硬度。我們也在嘗試，希望用這些材料能夠?qū)崿F(xiàn)類似的特性?！?/p>

目前這項(xiàng)研究還處于 “厘米尺度”，大概與傳統(tǒng)手工折紙產(chǎn)品的尺寸相似。但奧弗韋德認(rèn)為，無論是在更大或者更小的尺度下，這些構(gòu)件都會(huì)遵從相同的原理。目前他們的研究團(tuán)隊(duì)只是把重心放在了研究基本原理上。奧弗韋德說：“我們不是產(chǎn)業(yè)界的人，也不用在很小的尺度上制作這些構(gòu)件，我們只是試圖提出新概念的人。”

這些概念給材料科學(xué)界的同行留下了深刻印象。伊泰·科恩（Itai Cohen，并未參與這項(xiàng)研究）是康奈爾大學(xué)的材料學(xué)家，他也領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)相似的研究。針對(duì)這一新成果，科恩表示，無論是研究的質(zhì)量還是成果的意義，都非同凡響。 “這就好比是用紙板和雙面膠組成的設(shè)備。真正的問題是，這些設(shè)備能否用于制造實(shí)際的機(jī)械系統(tǒng)？”但他也補(bǔ)充說，“在機(jī)械系統(tǒng)中，你能通過測(cè)試確認(rèn)多少種不同的裝配方式，就能直接決定這套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)什么樣的功能?！?/p>

撰文：卡羅琳·德爾伯特（Caroline Delbert）

翻譯：董子晨曦

文章來源：環(huán)球科學(xué)

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