【儀表網 研發(fā)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(fā)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(tǒng)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(jié)，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(guī)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(wěn)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(wěn)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(wěn)機制
 

　　進一步，基于該穩(wěn)定性增強的SVS超材料，可實現對人體關節(jié)的定制機械保護(如圖3)和遠程機械輸入信號調節(jié)的信息轉換功能(如圖4)。這些成果為生成更可行的穩(wěn)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(yī)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(jié)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。