新一代织物材料有望实现智能硬度调节

铝合金3D打印制造而成的八面体结构单元，通过相互连接制成的链甲状材料。

研究人员手持类似“锁子甲”的材料样品。

测试材料在未被压实（软）时的抗冲击性。

当颗粒单元结构压实后，可承载超出材料本身重量很多的负载，更多材料有望成为制造坚固可靠的桥梁的用材。

蝙蝠侠飞行时柔软的披风会变成滑翔伞。

材料是发展工业的重要物质基础。材料学的发展和制造技术的进步，使传统材料不断焕发新生的同时，新材料也层出不穷。随着工业装备和产品的不断升级，材料也逐渐向自主化、智能化方向发展。响应外部环境变化而自主改变固有特性的材料，未来有望在智能机器人、高端医疗设备、先进航空航天装备等诸多领域发挥重要作用。如今，这种随环境和工况发生变化的智能化材料概念，已经衍生出了新的概念产品。近期，加州理工大学和新加坡南洋理工大学的工程师们联合开发了一种新材料，在承受极强外部压力的情况下，这种材料从可折叠的柔软流动状态转变形成具有极强刚性和硬度的特定形状。

设计灵感源自“锁子甲”和“蝙蝠侠”

研究人员的目标是创造一种“可以根据指令改变刚度的材料”。这种材料可以一种可控的方式在柔性和刚性状态间切换，从而能够承受一定的载荷。为了实现这一点，首先需要确定其中的基本原理和技术路径。

若想确保材料结构本身能够承受足够的载荷，用材方面必须考虑具有足够强度的基础材料。同时，为了保证材料能够兼顾柔软和刚度的要求，研究人员参考了欧洲中世纪士兵身着的锁子甲。在冷兵器时代，这种锁子甲相较于厚重的铁皮盔甲，能够最大限度地保证穿着舒适性和士兵的机动性，同时也能够提供良好的防护性。

为了让链甲材料能够实现“软”到“硬”之间的智能变化，研究人员需要从材料的内部结构入手思考。研究人员受到了2005年电影《蝙蝠侠·起源》中蝙蝠侠披风的启发——在通常状态下，披风是柔软可随风飘扬的，但在蝙蝠侠需要飞行时，披风可以瞬间变成有一定刚性的滑翔翼。研究人员认为，材料这种变化是通过内部结构单元“收”和“放”之间的不断转变产生的，在生活中可以经常见到类似的例子，如真空密封包装的咖啡、豆类或大米：当真空包装未解封时异常坚硬，可承受很高的外部载荷保证不变形，包装内部颗粒处于一种紧密压实的状态，但是一旦真空包装被破坏，空气进入，颗粒之间缝隙增加，不再像真空袋时那样相互贴紧，因此可像倾倒液体一样将轻松倒出。

正是以锁子甲和蝙蝠侠披风为设计输入，研究人员最终设计了一种利用中空微小结构单元以互锁的形式形成可以根据需求改变刚度的整体织物，他们称其为“可穿戴结构化织物”。

新材料实现性能的基本原理

无论是咖啡、豆类或是大米，它们共同的特点是颗粒间彼此各不相同，具有不规则的表面，因此只有在压缩时才会压实引起整体变硬。如果使用相对规则结构的连接环片材，则可以在压缩和拉伸两种状态下，都能形成

致密紧实的结构，承受一定载荷。这就是实现这种材料概念的关键。研究人员测试了许多不同外形的结构，寻找那些既具有灵活性又能够实现可调刚度的结构单元，仅在施加压力的条件下通过压实改变硬度的结构单元性能表现并不理想。

为了实现最佳效果，研究人员探索了多种不同的结构单元，其中包括连接环、连接立方体、连接八面体（类似于底部相连的两个金字塔）等，并将其3D打印出来。随后，研究人员在计算机中利用材料建模的方式对新材料的结构特性进行模拟分析。研究人员表示，这种由结构单元相互作用组合构成的材料是一套复杂系统，在结构单元间产生简单的相互作用可以导致结构上产生复杂力学行为。在这种类似锁子甲材料结构中，每个结构单元具有的承载拉伸载荷的能力改变了游戏规则，就像一根绳子可以承受相当可观的压缩载荷一样。这种理念为设计出超越传统认知的结构和性能跃升的材料打开了大门。

测试结果印证了新材料的优异性能

对于这种材料的承载能力，研究人员进行了一系列测试。研究发现，机械性能（从柔软到坚硬）变化最大的织物是颗粒结构单元间平均接触次数较多的织物，因此连接八面体结构最终脱颖而出。研究团队利用尼龙塑料3D打印出了八面体结构单元，并使其按照“锁子甲”结构排列，然后将其真空压实封装在塑料信封中。颗粒之间的堆积密度显著增加，八面体颗粒之间的接触点明显增多，从而使结构刚性提高25倍。在一项实验中，利用真空压实的“锁子甲”结构织物能够承受1.5千克的负载，达到了自身重量50多倍。

为了使材料性能更好，研究人员测试了使用铝合金3D打印了这种材料结构单元，发现由铝合金制造的“锁子甲”结构具有与尼龙款相同的柔韧性和柔软度。但是压实在一起时，由于铝合金结构单元与尼龙相比强度、硬度均更高，因此，铝制材料整体结构的硬度和刚度都要高得多。

潜在应用

这种织物材料在智能可穿戴设备中具有潜在的应用价值：在结构未压实时，材料重量轻、柔软且穿着舒适；在结构压实后，它能够成为穿戴者身体上的支撑和保护。如果将这种独特设计的金属“锁子甲”结构织物用凯夫拉纤维进行封装，即可形成防护能力更强的防弹背心。其他的一些潜在应用包括机械外骨骼，医药领域中随着患者康复而改变刚度的自适应模型。研究团队目前正在努力提高材料的性能，并正在研究使其变强变硬的新方法，包括磁性、温度和电力等外部因素。

在另一项研究中，研究人员正探索一种可自主调节强度的桥梁结构。研究人员设想利用钢索贯穿整个桥体用材，然后通过拖拽钢索使桥梁用材内部结构单元变得紧实，就与连帽衫拉绳原理一样。研究人员正在探索这种钢索贯穿桥梁方案或其他方案的可能性。

关于这种智能织物的相关研究成果已经在《自然》期刊中发表，题目为“具有可调机械性能的结构化织物”。这项研究工作已经得到了加州理工学院Foster和Coco Stanback太空创新基金、Facebook公司（现Meta公司）和美国陆军研究办公室的支持。

与此同时，在并行开展的一项智能表面研究工作中，研究人员希望能够得到按指令形变的智能表面结构。研究人员展示了一种通过嵌入热响应网络的方法来控制表面形状的液晶弹性体（LCE），这是一种在加热时会紧密收缩的聚合物薄条。这种液晶弹性体内部包含可拉伸的加热线圈，可通过电流充电，加热它们并使整个结构收缩。当LCE收缩时，研究人员可牵引嵌入其中的柔性材料并将其压实成此前设计好的固体形状。

上述工作的相关成果已经于2021年4月7日发表在《科学·机器人》（Science Robotics）期刊中，论文题为《机器人与可逆的、时空控制形状和变形对象操纵面》，由美国科学基金会和陆军研究办公室资助。这种材料对于远程协作（协作过程中使用的物理组件）、医疗设备和传感触觉设备（使用技术模拟虚拟现实的物理感觉）等方面用途广泛。未来，研究团队计划对结构化织物和智能系统进行小型化设计和进一步性能优化，使其更接近实用。