学科大讲堂 | 探索机械超材料趣闻
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发布日期：2023-11-15
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11月8日，淑德书院“STEAM”学科大讲堂邀请了汕头大学工学院教育部智能制造重点实验室的杨楠教授来分享机械超材料趣闻。杨教授从何为机械超材料，机械超材料的具体三个应用切入，向同学们揭开了机械超材料的神秘面纱。
分享会伊始，杨教授先向大家普及了机械超材料涉及的专业名词，如负泊松比、负刚度等。其后以机械超材料在机器人、理论物理、计算机等方面的应用展开了知识分享。深入浅出，在轻松又不失严谨的氛围中为我们带来一场精彩的学科讲堂。
杨教授首先以Nature一篇研究切入，研究者基于细胞单元的设计，通过不同角度和方向的组合，研发出一种具有正泊松比（在受压缩时与材料垂直方向发生膨胀的性质）和负泊松比（在受压缩时与材料垂直方向发生收缩的性质）的材料。通过视频，我们了解到可人为控制材料的性能来展示笑脸，突显了该材料的高度可控性和可编程性，同时也突显出该研究的趣味性。
其后，在一篇山峰折痕（ridge creases）的研究，研究者在薄膜或材料上制造一系列折叠痕迹，通过控制这些折叠的角度和形状，可以实现不同的泊松比，从而为材料科学家和工程师提供了更多的自由度来设计具有特定性质和行为的材料。
同时，也有学者从生物界获得材料设计的启发，通过观察自然界一种昆虫-蠼螋，借鉴其翅膀的结构和材料负泊松比的特性，与仿生弹簧的设计相结合，创造出一种新型的超材料具有两个稳态，在弹性体、可变形结构和柔性机器人等领域具有广泛的应用潜力。
最后，杨教授介绍了自己的研究成果，受纸张折叠的启发，他提出一种基于模块化折叠和剪切的设计策略，将多个模块组装成体素化的大规模结构，每个模块的设计具有更多的力学设计参数，从而创造出具有各种力学和拓扑复杂性的机械超材料设计。
该环节杨教授通过介绍一种机器开发技术——自折叠履带(Self-folding crawler)，旨在实现自动变形或折叠能力，以适应不同的地形、任务或环境。视频生动形象地展示了纸片在马达热驱动下进行折叠、站立并行走，为各种领域的机器人应用带来新的创新和改进。
其后，杨教授介绍了两个学者的研究，分别违反了Maxwell–Betti 原理以及Cauchy 连续性原理，通过深度耦合大规模结构与局部力学功能，实现了扭转效应，实现了不同于传统物理原理的性质和效应，这为材料设计和应用提供了新的可能性。
杨教授通过观察身边的暖气炉，不禁反思热胀冷缩是否可以被突破？受到可塑性折纸图案的启发，杨教授设计和制作了三维（3D）机械超材料，其有效热膨胀性能被编码在基本热力学耦合微观结构中，实现大范围的各向同性与各向异性变形（从-40%到10%应变），为柔性电子产品、自折叠材料、人工肌肉和机器人等潜在机械超材料应用开辟了新的途径。
通过该案例杨教授向大家传输了自己在科研过程中需要拥有质疑现今已经被认为是“理所当然”的事实的勇气。在力学性能可调研究上，杨教授进行了大胆的创新，构建可通过折纸参数调节的整体拓扑结构和力学性能的多孔支架。在相同的孔隙率下，实验结果证明该结构的刚度、屈服强度和极限抗压强度比其他网络高得多。
新型机械计算机通常由一系列机械齿轮、杆、滑块和其他物理部件构成，这些部件被设计用来执行数学运算。相较于电子元件计算机来说，其不容易受到电磁干扰或软件漏洞的影响。
杨教授向大家展示把机械超材料软凸凹模块、刚性框架和导电材料组合在一个系统中，以实现逻辑门、加法和乘法。该研究成果不仅可以实现模块和电之间的互动，还可实现模块和光之间的互动，有助于提高软机器人、机器人材料和微机电系统的能力。
通过深入浅出的探讨，杨教授让我们了解了机械超材料如何通过设计和几何结构来实现独特的力学性能，包括负泊松比、多重稳态和可编程性，以及它们在机器人、物理学和其他领域中的广泛应用。这次讲座为我们带来了新的思维和见解，激发了同学们对材料科学和工程的兴趣，为未来科研和创新提供了重要的启发。
机械超材料有那么多强大功能和应用会有什么缺陷和不足吗？
机械能反应速度太慢，机械超材料制造困难，造价较高，制作成本高。3D打印技术突飞猛进，我们可以考虑用3D打印技术来做钢铁折叠材料，但是制作出来的成品并不能灵活使用和变通。我的想法是可以先制作出带铰链结构的基本面片，再像拼图一样插起来，就可以像纸样折叠结构一样转动。
刚刚您提到的材料基础驱动都是硬力，我们能不能改成其他能源进行驱动呢？
可以的，比如说可以通过磁力，使用磁场控制，可以形成滚动或者折叠的驱动力。
机械超材料在日常生活中并不常见，还有其他更实际应用的地方吗？
目前，一般运用在航空航天和太阳能光板展开的过程中。在航空航天层面辐射比较严重，机械超材料更有优势。未来还可以运用到医疗行业中，或许可以用机械超材料制造出一种不压迫神经又能治疗腰间盘突出的医学材料。
