在荷蘭，有一群科學(xué)家正在忙著設(shè)計格子狀的3D打印結(jié)構(gòu)以用其測試一種獨(dú)特的全新機(jī)械材料。這種材料能夠在一些關(guān)鍵點(diǎn)上被操縱，有可能被用做框架的絕緣體。在一篇剛剛發(fā)表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》的論文中，研究人員們描述了他們?nèi)绾问褂靡恍┨囟ǖ狞c(diǎn)來“塑造”各種區(qū)域，這種結(jié)構(gòu)是能夠屈曲的，它們能夠基于溫度、壓力或者由于一個系統(tǒng)出現(xiàn)的偏差的因素變形為另外的形狀。這里所謂的系統(tǒng)，可以被認(rèn)為是某些基礎(chǔ)設(shè)施，或者像橋梁、大廈的施工區(qū)域。

這篇論文的題目是《拓?fù)涑牧贤ㄟ^自應(yīng)力的選擇性屈曲（Selective Buckling via States of Self-stress in Topological metamaterials）》。這種超材料的結(jié)構(gòu)也是3D打印的，它展示了3D打印如何能夠促進(jìn)自我可持續(xù)性，在本文的這種情況下，這種結(jié)構(gòu)能夠變換拉力和壓力來緩和應(yīng)力或完全避免故障。通過研究人員的新型3D打印材料并根據(jù)其后續(xù)的設(shè)想，該結(jié)構(gòu)將擁有內(nèi)置的靈活性，可在外來因素的影響下最終保持強(qiáng)度和完整性，但是您光看是看不出來的。

“這些局部壓曲區(qū)域的顯著特征是，它們與周圍的結(jié)構(gòu)是混為一體無法區(qū)分的，甚至包括作為建筑要素的材料參數(shù)或者連接性而言。”研究人員Jayson Paulose、Anne S. Meeussen和Vincenzo Vitelli在他們的論文中稱，“此外，它們對大范圍的結(jié)構(gòu)擾動具有很強(qiáng)的抗性。”也就是說，平時看不出來，當(dāng)受到壓力或其他因素影響的時候，這些結(jié)構(gòu)區(qū)域就會表現(xiàn)出與眾不同的性質(zhì)，起到“隱形梁”或者其他功能的作用，如下圖。

 

該項(xiàng)目是在萊頓大學(xué)（Leiden University）的拓?fù)淞W(xué)實(shí)驗(yàn)室完成的，研究負(fù)責(zé)人為Vincenzo Vitelli。

“這個設(shè)計一開始基于一個總體的概念，你可以把它比喻成實(shí)體的“預(yù)感”。”合作者Paulose解釋說，“將這些拓?fù)渌枷胗迷谶@些超材料設(shè)計上的主要優(yōu)勢在于拓?fù)洳牧峡隙〞谶@些邊界出現(xiàn)有趣的行為。”

科學(xué)家們此項(xiàng)研究的基礎(chǔ)，是一種被稱為“拓?fù)浣^緣體”的新的物質(zhì)狀態(tài)，這種物質(zhì)具有獨(dú)特的屬性，可以被用在機(jī)械工程和其他部門——比如醫(yī)藥。這也導(dǎo)致了科學(xué)家們要對根據(jù)這一理念3D打印的材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，看看機(jī)械載荷會受到什么樣的影響.。

“我們原本預(yù)期在這個設(shè)計可以發(fā)揮作用之前會有一些反復(fù)的試錯。但是，我們從3D打印公司拿回來的第一批實(shí)驗(yàn)樣品一拿出來就表現(xiàn)的非常好。”Paulose說。

研究人員主要的關(guān)注點(diǎn)是機(jī)械載荷以及這些3D打印的超材料——其具有可獲得的屈曲性能——可以如何用在傳統(tǒng)和現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)和設(shè)備的改進(jìn)上。

 

在使用“自應(yīng)力的魯棒狀態(tài)（robust states）”來設(shè)計拓?fù)涑牧现械那鷧^(qū)域中，研究人員使用了3D打印來驗(yàn)證他們的觀點(diǎn)，并將其作為研究證據(jù)。他們使用一個3D打印的超材料結(jié)構(gòu)非常簡單和清楚地展示壓縮如何會引起這些由特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的“隱形梁”產(chǎn)生有利的屈曲，并再次用他們的3D模型指出了這些屈曲區(qū)域是無法用肉眼區(qū)分的，而且也不會顛覆一個結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。