【儀表網 研發快訊】近期，北京理工大學軟物質力學團隊在力學超材料方面取得重要進展，相關研究成果以“Stability-Enhanced Variable Stiffness Metamaterial with Controllable Force-Transferring Path”為題發表在國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》，并被選為當期卷首論文(Frontispiece)。北京理工大學宇航學院2020級碩士研究生伊繼烜為論文第一作者，宇航學院萬超副教授與張凱教授為論文共同通訊作者。
工程領域對結構剛度要求日益復雜，使得傳統材料難以滿足多變的設計需求。在這種背景下，可變剛度材料應運而生。作為可變剛度材料之一，自接觸變剛度超材料(Self-contact variable stiffness metamaterials)通過改變其力傳遞路徑，實現了特定的彈性應變能存儲模式，進一步實現剛度調節，解決了常見變剛度超材料需要外部驅動或刺激場的不足。然而，由于超材料制造過程中不可避免地存在不規則結構、偏心和缺損等不足，現有的自接觸變剛度超材料大多難以穩定地實現預期設計的應變能存儲模式，其實際的剛度變化范圍受到很大影響。
為了解決這一問題，本研究提出了一種具有偏心單元設計的SVS超材料/超結構，既能實現穩定的剛度變化，又能實現高承載。理論、仿真和實驗結果表明：新型的SVS超材料在高、低載荷條件下剛度變化約為110倍；進入高剛度階段時，其承載能力可達1500 N以上(如圖2所示)。
圖2 自接觸變剛度超材料的偏心設計、傳力路徑及其增穩機制
進一步，基于該穩定性增強的SVS超材料，可實現對人體關節的定制機械保護(如圖3)和遠程機械輸入信號調節的信息轉換功能(如圖4)。這些成果為生成更可行的穩定性增強SVS超材料/超結構提供了有益的解決方案，并推動了它們在航空航天、醫療器械和機器人技術等領域的潛在應用。
圖3 基于自接觸變剛度超材料構建的人體腕關節護具
圖4 基于自接觸變剛度超材料實現的力學-信息轉換功能
該研究得到了國家自然科學基金經費支持。
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