新型可折叠材料问世,具备自行调控能力
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想象一下,如果一间房能够放进一个背包里,或者一面墙只需要按一个按钮或打开开关就能变成一扇窗户,那么我们的未来生活会变成什么样呢?

近日,哈佛大学(Harvard University)工程与应用科学学院以及生物工程研究所的研究人员设计出了一种新型的可折叠材料,不仅具有多种多样的功能,而且还是可调谐(调节到谐振状态的行为或过程)的,同时还可自行控制。这种新型可折叠材料可以改变自身的大小、体积、形状,例如该材料可折叠后承受一个大象的重量而不会破裂,并且能在重力撤回之后马上变回以前的模样,以便应对可能会出现的其他外力。

研究人员将这种材料设计成三维的薄壁结构,因为该结构可以用来制成可折叠的、以及可重新设计的物体,从而构成各种各样的建筑式样。通过这种材料,建筑师们可以大幅度改变这些建筑式样的形状、体积和刚度,也可以进行持续不断的调整和控制。

研究人员表示,三维薄壁结构的设计灵感来源于一种名为snapology的折纸手工技巧。通过一些有24个面和36个边的挤压立方体,研究人员制成了这种三维薄壁的结构。人们可以沿着边缘将这些立方体折叠起来,从而改变其形状,就像折纸一样。研究人员称,无论是在理论上还是在实际操作中,这些立方体都能通过折叠某一些边而变成各种各样的形状,这些边的作用就像铰链那样,用于连接两个物体并允许二者之间做相对运动。同时,研究人员还将气压转动装置嵌入这种结构中,这些气压转动装置可被用来改变某些边的形状,进而改变立方体的形状和大小。因此,使用者不需要在立方体中添加任何外部材料或使用任何装置,就能改变它们的形状和大小。

研究人员将64个独立的单元连接起来,创制成了一个4x4x4的立方体。这些立方体可以扩展、收缩,还可以从整体上改变形状和其内部微观结构的方向,甚至可以完全折叠成一个平面。当这种三维薄壁结构自行改变形状时,它的刚度也随之发生变化,这就意味着使用者可以用完全一样的设计使同一种材料变成两种完全不同的状态,或是柔软,或是坚硬。这种材料属性上的自行变化又给材料增加了第四种维度。

研究人员称,他们不仅弄清楚了这种可折叠材料自行变化的原理,还发现了控制和驱动材料变形的方法,以便随时得到自己想要的形状。同时,任何类型的执行器都可被嵌入到这种材料中去,包括上升的热气流、绝缘体,甚至是水。

研究人员表示,这种新型的材料具有很强的实用性,其结构系统可以为动态建构技术带来一些启示,如活动板房、自动适配的建筑立面、可移动车顶等等,然而目前,这些动态建构技术的应用还需要依赖一些标准件机械。

这种新型材料有很多优势,例如材料的表层和结构可以整合,并且制作和生产较为简单,可折叠成平面等等。同时,这种新型折叠材料的应用大小是完全可以扩展的,小到纳米一级,大到米一级的东西都可制作。同时,它的应用范围也极其广阔,可用于制作任何物品,如手术定位板或灾难援助用的便携弹出式圆顶棚等。

小编有话说:那以后去参加野营活动岂不是更方便了?
 
Pic Credit: Johannes Overvelde/SEAS
Journal reference: Johannes T.B. Overvelde, Twan A. de Jong, Yanina Shevchenko, Sergio A. Becerra, George M. Whitesides, James C. Weaver, Chuck Hoberman, Katia Bertoldi. A three-dimensional actuated origami-inspired transformable metamaterial with multiple degrees of freedom. Nature Communications, 2016; 7: 10929 DOI: 10.1038/ncomms10929
文章来源: https://www.sciencedaily.com/releases/2016/03/160311083911.htm
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