6月8日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院張一慧課題組與北京理工大學(xué)教授、清華大學(xué)雙聘教授方岱寧課題組合作，在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊上發(fā)表了題為《具有非常規(guī)溶脹行為及可調(diào)控應(yīng)力應(yīng)變曲線的軟質(zhì)力學(xué)超材料》（Soft mechanical metamaterials with unusual swelling behavior and tunable stress-strain curves）的研究論文，系統(tǒng)報(bào)道了一類具有負(fù)溶脹等非常規(guī)溶脹性質(zhì)以及可調(diào)控“J”型應(yīng)力-應(yīng)變曲線的軟質(zhì)力學(xué)超材料。

    具有極端面積/體積變形能力的超材料在航空工程、光學(xué)和微電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而現(xiàn)有的負(fù)溶脹超材料變形范圍較小，且不具備各向異性的性質(zhì)，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)材料面積/體積變化的大幅調(diào)控，在很大程度上限制了該類力學(xué)超材料的發(fā)展和應(yīng)用。

    A圖為網(wǎng)狀材料吸水和脫水過程中的構(gòu)型演變。B圖為溶脹應(yīng)變隨時(shí)間演變的曲線圖。C圖為對(duì)應(yīng)吸水/脫水狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。比例尺為40毫米為解決上述問題，航院張一慧課題組提出了一種基于平面點(diǎn)陣的異質(zhì)材料組裝設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)基于復(fù)合梁的偏心原理，利用不同層材料吸水變形過程中膨脹變形的差異，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀材料整體的較大膨脹和收縮。其微結(jié)構(gòu)采用了馬蹄形的三層夾心設(shè)計(jì)，有效解決了變形過程中界面分離以及結(jié)點(diǎn)自接觸的問題。結(jié)合先進(jìn)增材制備技術(shù)，利用高精度多材料光固化噴墨型3D打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)了該網(wǎng)狀超材料的數(shù)字化制備。

    在《科學(xué)進(jìn)展》論文中，研究團(tuán)隊(duì)首先展示了網(wǎng)狀材料的吸水變形和脫水回復(fù)的過程，驗(yàn)證了網(wǎng)狀材料的變形可逆性；詳盡闡述了網(wǎng)狀材料的變形機(jī)制以及調(diào)控原理，建立了定量的力學(xué)預(yù)測(cè)模型；通過有限元仿真和理論分析，提出了具有非常規(guī)溶脹行為的超材料設(shè)計(jì)方法，并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)狀材料力學(xué)性質(zhì)的各向異性調(diào)控。研究表明新設(shè)計(jì)的網(wǎng)狀材料具有獨(dú)特的“J”型應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過控制吸水時(shí)間，可以精確控制網(wǎng)狀材料的彈性模量及臨界應(yīng)變等力學(xué)性質(zhì)，在可展開天線和軟體機(jī)器人的構(gòu)型主動(dòng)控制方面有著重要的潛在應(yīng)用。

    各向異性大溶脹行為設(shè)計(jì)，其中紅線表示本項(xiàng)工作中展示的溶脹行為張一慧副教授與方岱寧教授為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)航院2016級(jí)博士生張航為本文的第一作者。合作者包括清華大學(xué)航院博士后郭曉崗和2014級(jí)本科生鄔軍。該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中組部青年千人計(jì)劃項(xiàng)目和清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室的支持。

    論文鏈接：

    http://advances.sciencemag.org/content/4/6/eaar8535

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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