01 研究背景
具有可調彈性特性的材料為智能機器、機械人、飛機和其他系統提供了巨大的可能性。然而，即使誘導相變，傳統材料的彈性在操作中幾乎無法改變或調整。機械超材料是一種人工構建的材料，其性能超越了傳統材料。可調彈性在可重構超材料中是可能實現的，但現有設計中連續可調性會受到結構不穩定、魯棒性弱、塑性失效和響應緩慢等問題的困擾。
02 研究成果
國防科技大學方鑫和溫激鴻、香港理工大學成利、德國卡爾斯魯厄理工學院Peter Gumbsch等人合作報道了一種超材料設計範例，使用具有編碼剛度梯度的齒輪作為組成元素，並組織齒輪簇以實現多種功能。即使在重載情況下，該設計實現了連續可調的彈性特性，同時保持穩定性和魯棒性。這種齒輪基超材料具有優異的性能，例如楊氏模量連續調製兩個數量級，超軟和固態之間的形狀變形，以及快速響應。該研究使完全可編程的材料和自適應機械人觸手可及。相關研究工作以「Programmable gear-based mechanical metamaterials」為題發表在國際頂級期刊《Nature Materials》上。
03 圖文速遞
研究者設計了一種全新的範例。首先，通過裝配具有內置剛度梯度的元件來實現可調性。其次，元件之間的耦合必須符合大變形。想要實現這種可調但堅固的材料，需要確保在大作用力下的可調性和魯棒可控性，同時避免調諧中塑性變形。這種可變但強耦合可以通過齒輪組實現。由於可靠的齒輪嚙合，齒輪可以平穩地傳遞旋轉和沉重的壓縮載荷。另外，剛度梯度可以構建到單個齒輪體中，也可以通過分級齒輪組件實現。齒輪組可以組裝成歧管，並且可以作為元胞定期排列以形成超材料（圖1c）。由於存在許多齒輪裝配體系結構，因此提出的設計理念非常通用。
圖1. 機械超材料的設計理念
第一個原型是使用緊密耦合的周期齒輪和兩個晶格框架創建的，以將齒輪排列成簡單的二次模式（圖2a）。平面齒輪包含空心部分。外部形成兩個彈性臂，其徑向厚度隨旋轉角度θ平滑變化。在承受壓縮載荷的情況下，臂的變形主要是彎曲（圖2c）。可調性取決於內置空心部分的形狀。受中國太極圖啟發，圖2b以螺旋方向為特徵，可以提供平滑變化和極性。在任何兩個嚙合齒輪中，旋轉方向相反。此外，正面和背面太極圖案的螺旋方向是相反的。因此，一對齒輪的嚙合模式有兩極。
圖2. 基於太極齒輪的機械超材料
研究者證明了即使是在微尺度上，基於齒輪的集成超材料也可以通過三維打印直接製造。這種集成製造的主要挑戰是確保嚙合齒不會融合在一起，但仍能有效地參與嚙合。為了解決這個問題，在裝配的數字模型中，嚙合齒表面之間保留了一個小間隙。研究者採用投影微立體光刻3D打印技術製造了一種由5×6太極齒輪組成的集成微超材料（圖2h）。太極齒輪的直徑和齒厚分別為3.6 mm和235 μm，最厚臂為75μm。微齒輪以P+（0°）排列，齒間保留的最小間隙為32 μm。樣品由楊氏模量為3.5 GPa的光敏樹脂製成。使用這種集成設計策略，齒輪基超材料可通過適當的高分辨率大規模3D打印設備在齒輪的尺寸和數量上進行放大。
圖3. 由行星齒輪系統組成的超材料
第一種超材料僅在壓縮載荷下可調。拉伸載荷由框架承擔，拉伸模量為Et=Ef。對強超材料來說，其壓縮模量和拉伸模量均可調，同時保持結構完整性，這可以通過將行星齒輪系統組織為元胞來實現（圖3a）。元胞包含六個齒輪：一個內齒圈、一個中央太陽齒輪和兩對行星齒輪A1–A2和B1–B2，其中齒輪中心A1–O–A2和B1–O–B2共線。使用這個齒輪簇，研究者創建了一個層次分明的強超材料，其可調性來自元胞內齒輪的相對旋轉。環厚度均勻，相鄰環在二次晶格中剛性連接，從而確保結構完整性。即使在張力下，齒也能防止兩個齒輪之間的相對滑動。對於組裝的超材料，所有太陽齒輪通過軸連接到傳動齒輪，這些傳動齒輪緊密耦合。因此，通過旋轉傳動齒輪可以實現所有元胞模式的魯棒重構。
圖4. 剪切作用下的強或超軟超材料
有趣的是，圖2a中的超材料在壓縮應力下保持穩定，並在剪切時顯示出較大的剛度。支撐穩定性的因素之一是嚙合齒在不同點的不均勻載荷，會導致彎曲變形，將齒緊緊地夾在一起。超材料的剪切模量G=Gg+Gf，由齒輪（Gg）和框架（Gf）產生的剪切模量組成。剪切力誘導齒輪旋轉和行星旋轉。
研究者提出了幾個場景來展示齒輪基超材料的廣泛應用潛力。對於機械人，可調剛度腿/執行器可提供高剛度以在行走時穩定支撐重物，低剛度以在跳躍或跑步時提供減震保護。航空發動機掛架系統中需要類似的可調剛度隔離器，以在不同飛行階段保持最佳性能和效率。基於齒輪的快速響應超材料可能會產生敏感的變剛度蒙皮，一直備受關注。此外，具有可調剛度的諧振器是用于波操縱的可編程超材料中的關鍵部件。因此，基於齒輪的可編程超材料可以幫助實現廣泛的智能機器。
圖5. 活性機械超材料的特性
04 結論與展望
研究表明齒輪基機械超材料可保持穩定性、強度和高承載能力，同時具有原位可調性，可編程性強且易於實現。齒輪組提供了廣闊的設計空間，允許超材料的可定製性能。除了演示的楊氏模量、形狀變形和衝擊保護外，可調性還可以擴展到其他彈性性能，如剪切模量、泊松比、強度、變形模式、甚至阻尼係數。還可以通過使用錐齒輪，將平面齒輪組裝成圖3所示的層次結構或合成不同類型的齒輪對3D超材料進行展望。集成製造將這些可調性聯繫起來，可以生產出堅固的多用途設備。以微超材料為例，通過高分辨率和大規模3D打印，可以將齒輪基超材料進一步小型化和擴展。
總之，該研究通過齒輪的可變但強耦合和內置可變性，提出並演示了一種可編程動態超材料的非傳統設計範例。從構思原型到機械分析，齒輪基機械超材料展示了在宏觀和微觀尺度上的靈活可調性和集成製造，並展示了廣泛的潛在應用。該研究為設計完全可編程材料拓寬了視野，從而推動了其在實際應用中的探索。
05 文獻
文獻鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-022-01269-3
文獻原文：
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