武侠小说中的“软猬甲”采用金丝和千年滕枝混合编织，不但能 “防身” 刀枪不入还能保暖。最近，科学家将武侠小说中的“软猬甲”带进了现实。
新加坡南洋理工大学王一凡教授和加州理工学院基亚拉·达拉约（Chiara Daraio）教授团队研发了一种轻薄、安全、价格低的“链甲”智能织物。这种面料是空心八面体联结、由 3D 打印而成，通过气压调节，可实现 0.1 秒内柔软和坚硬状态的自由切换。
动图丨“链甲”智能织物在柔软状态下的撞击测试（来源：受访者）
以往在智能可穿戴材料领域的研究重点在电子器件，比如智能穿戴材料或柔性电子中合成先进的传感器，但注重在改变可穿戴材料力学性能的研究非常少。
据了解，其主要困难是制造可穿戴材料的同时，还需要保证材料的力学性能可快速变化。比如，从柔软的状态改变到坚硬的状态，比较常用的方法是通过改变温度的方式达到材料的相变。
但是，大幅度温度的变化未必适用于人体穿戴，因为人的皮肤所能承受的温度范围有限。并且，改变温度的材料转变速度通常较慢，把材料加热需要几十秒甚至几分钟，冷却下来则会更慢。
图丨王一凡展示“链甲”智能织物（来源：南洋理工大学）
此外，还有通过磁性或介电性材料，加上很强的磁场或电场来改变材料的刚度的相关研究。这种方法面临的问题是，应用在穿戴的材料需要可产生强大电场或磁场的设备。但这种设备体积和重量大，且电场有安全的风险，并不适合人们日常的穿戴和使用。
所以，在制造可改变刚度的智能穿戴材料领域，之前遇到了较多的困难。为此，该团队的研究提出了一种安全、转变速率快、重量轻、价格低的可行方案。
图丨相关论文（来源：Nature）
8 月 11 日，该团队相关论文以《具有可调力学性能的结构化织物》（Structured fabrics with tunable mechanical properties）为题发表在 Nature。
受颗粒材料启发，实现 0.1 秒软硬状态转换
该材料的研发灵感来自于颗粒材料，这种软材料在日常生活中很常见，比如沙子、大米、豆子等。
王一凡告诉 DeepTech，这种材料的科学原理是从物理领域的“阻塞相变”启发而来，用很多颗粒组成智能织物，然后通过外面施加压强的方式达到这种材料软硬状态的转变。
这里提到的颗粒材料有个 “有意思” 的性质，如果颗粒材料呈自然状态（外部无约束），它像流体一样自由地流动，一旦在外面加了一定约束，或者在颗粒间加入一定的吸附力，它便可变成高粘性或高硬度的状态。
动图丨“链甲”智能织物在坚硬状态下的撞击测试（来源：受访者）
王一凡举例说道，“比如，如果给沙子加水，然后从外面加上压力，就可以把沙堆成较坚固的城堡，这其实就是从软状态到硬状态的转变。再如，真空包装的大米摸起来像很硬的砖块，但只要把真空包装袋打开，里面的颗粒便可以自由流动，这是从硬向软状态的改变。”
在实际应用上，传统的颗粒材料因为是实心通常较重，如果人穿上颗粒材料像背着一袋米，在行动和舒适度上都不方便。所以，传统的颗粒材料并不适合直接应用在人体穿戴。
除了重量，传统的颗粒材料还有另外一个问题。由于颗粒之间是互相排斥的，并没有吸附力，如果颗粒材料被压缩，它在阻塞相变后会变硬，但在这时如果去拉伸或弯曲，它的弹性并不理想。
但是，在穿戴材料里拉伸和弯曲是很常见的形变模式。为解决这两个问题，该团队采用了一种空心的拓扑结构将颗粒连接，其原理像古代的链甲，因为材料是“中空”的，所以其重量很轻。同时，该团队通过拓扑结构的连接，使颗粒之间形成一种等效的吸附力，解决了该材料在拉伸、弯曲时不方便的问题。
图丨“链甲”智能织物的设计和原型（来源：Nature）
当处于自然状态时，这种面料易弯折，能披挂在复杂的几何表面；而当处于阻塞相变后，面料的联锁颗粒会被挤在一起，刚度会是松散状态下的 25 左右，其最大载重量为自身重量的 50 倍以上。
此外，该团队的创新性还在于将新颖的设计和前沿的 3D 打印技术结合起来。王一凡表示，该材料用传统的制造技术较难实现，古代的链甲是纯手工制造的，如果没有 3D 打印技术，这种拓扑互联的结构较难制造。
图丨形状可重构性、可调抗冲击性和应用（来源：Nature）
传统织物面临转变速度慢、不实用、不安全等问题。王一凡告诉 DeepTech，“链甲”智能织物具有安全、转变速率快、成本低的优势。
第一，该材料的软硬调节通过微型气泵调节气压，对于人体的穿戴来说相对安全；
第二，软硬状态的转变可在 0.1 秒内实现；
第三，以护腕或护肘等小型智能织物为例，其制造成本大概是 100 美元，若日后批量生产预计成本可降低几倍。
尺寸 “大小皆可”，可用于机器人设备、医疗、航天航空等领域
传统的外骨骼设备通过传统机器人技术制造，通常由金属材料构成。虽然支撑力强，但材料过重，不方便日常穿戴，并且有消耗电能高、制造成本高等问题。
而现在，这种智能材料可以取代传统的机器人技术在某些场景的应用。并且，它可实现的尺寸 “大小皆可”，也就是说，只要 3D 打印机的精度足够高，也可以把它做成很轻薄、很小的结构。
王一凡举例说道，“以血管支架或者心脏支架手术为例，如果用这种可随时变软或变硬的材料，那么也许通过微创手术就能将这种很软的支架结构放进人体，当它达到某个固定的位置时，再通过调节让它变硬。”
此外，该材料可用于人的外皮肤做医疗支撑。目前，通常用打石膏的方式来固定手骨折或断骨的患者的骨折部位。但石膏很硬，而且可能一两个月不能拿下来，造成患者行动不便。
如果用这种新型材料，便随时“可软可硬”，当骨折部位需要支撑时，用气压调节使它变硬；当病人需要休息时，再把它变软。此外，如果 3D 打印机或制造设备足够大，这样的结构可在更大的尺度实现。
“比如，可以先把房子或桥梁等大尺度建筑变软，然后‘卷起来’运到某个地方后，再通过改变气压的方式，将其变成坚固的房子或桥梁。”王一凡说。
图丨从不同受限压力下的模拟获得的微观结构信息（来源：Nature）
一次，王一凡与 NASA 喷气推进实验室（JPL）科学家的交流，让他看到了这种材料应用的更多可能性。JPL 科学家认为，在外太空，可能会有较小的陨石同宇航员高速撞击的危险，如果将这种先进的材料用在宇航服上，也许可以保护宇航员的安全。
“更远些的设想，如果人们想在月球、火星等外太空建造基地，需要较轻的建筑材料，用这种材料则可具有很好的延展性结构。”王一凡说。
对于该材料产业化落地的时间，他认为，小型的医疗支撑应用大概在 5 年内可以落地，而外骨骼系统或者大尺寸的建筑领域应用则预计在 5 到 10 年内。
图丨王一凡团队（来源：受访者）
谈及该技术的可提升空间，王一凡表示，“我们在这项研究中用的是尼龙聚合物的一种高分子材料，如果想把这种智能织物的高度进一步提升，需要用刚度更大的材料，比如金属材料或碳纤维材料。这需要在 3D 打印金属材料或更强度更大的材料方面进行更深入的研究。”
据介绍，目前该团队已有初步的成果可用金属打印。另一个比较大的提升空间在于，该团队主要研究集中在材料和结构上，但如果真正地应用在可穿戴材料，如外骨骼系统，则需要研究整个机械系统。
“因此，我们下一步需要研究如何将这种先进的材料与其他的系统模块相结合起来，如控制、感应、驱动、能源等。”王一凡说。
智能制造及软体机器人方向 “双管齐下”
王一凡的本科及博士分别就读于北京大学物理系及芝加哥大学物理系，以软材料为主要研究方向，经常从自然生物系统中得到启发，然后对某种材料的物理性质、力学性质进行研究。博士毕业后，他“跨界”到加州理工学院机械工程系继续深造，这给他的科研思路带来了不小的转变。
正是因为这种交叉学科的经历，他在科研的过程中经常带着“双学科”结合的思维去探索。这既有物理学方法上的创新性，也有机械工程中技术实际应用层面的聚焦。
王一凡表示，做科研需要走出自己的舒适区，不能只在自己擅长的方向，这样研究的领域会越来越窄。偶尔可以走出舒适区了解自己之前未接触过的领域，极有可能会收获创新性的启发，甚至颠覆之前业内的某个理论。
谈及未来发展，他认为，将从两个方向“双管齐下”，一方面是3D打印、智能制造领域，将先进材料在制造上或用更强的材料打印到微纳米级别的更小尺寸，或达到建筑或者桥梁的级别的更大尺寸。
另一方面是软体机器人的方向，这有可能会对以往的靠传统的机器人技术起到补充作用，实现更多可能性。
来源：DeepTech深科技
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