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在材料研究中，聚合物材料在弯曲时刚度提升的研究较少。研究人员受膜张拉整体结构（membrane tensegrity structures）启发，开发出功能聚合物薄膜。结果显示该薄膜弯曲时刚度渐进提升，为非轴向变形材料设计提供思路，助力多领域应用。
在材料科学的奇妙世界里，大自然就像一位神奇的导师，许多天然材料如皮肤、韧带、肌腱、动脉和蜘蛛丝等，都展现出独特的力学性能。它们在大变形下会迅速变硬，拥有 J 形应力 - 应变行为，这种特性能够有效限制自身进一步拉伸，防止结构破坏。受此启发，科研人员们积极探索，设计出不少在单轴加载下随变形而变硬的聚合物材料。然而，当研究视角转向非轴向或平面外变形，比如弯曲时，具有增强刚度的聚合物材料研究却少之又少，而且也没有一套系统的方法来实现这种特性。这就好比在材料科学的探索地图上，这片区域还是一片迷雾重重的未知之地。
为了驱散这片迷雾，名古屋工业大学（Nagoya Institute of Technology）的研究人员展开了深入研究。他们把目光聚焦在膜张拉整体结构上。这种结构在建筑和结构工程领域备受关注，它通过平衡杆中的压力和膜中的拉力来实现结构稳定，其中一些结构在弯曲时刚度还会增加。研究人员从中获得灵感，利用多聚合物图案化技术，成功制备出一种具有宏观尺度杆和膜、且弹性模量不同的功能聚合物薄膜，并且这种薄膜在弯曲时能逐渐变硬。该研究成果发表在《Polymer Journal》上，为材料科学领域带来了新的曙光。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是样品制备技术，通过两种光固化单体溶液，分别制备柔性膜和刚性杆。然后利用商用液晶显示器（LCD）打印机进行区域选择性紫外线（UV）照射来实现聚合物图案化。实验方面，进行了拉伸测试，用于评估杆和膜材料的弹性模量及膜的断裂应变；开展屈曲测试，测定杆材料的屈曲应力；还进行了负载诱导变形观察、加载 - 卸载测试以及弯曲测试，通过这些实验全面研究薄膜的力学性能。
研究结果
- 材料特性差异显著：拉伸测试表明，杆和膜材料的弹性模量差异巨大，杆材料弹性模量为 809 ± 107MPa（n = 11） ，膜材料仅为 1.35 ± 0.19MPa（n = 14） ，相差约 600 倍。同时，膜材料的断裂应变为 89.9 ± 9.1%（n = 14） ，这意味着它具备足够的柔韧性以适应弯曲变形。
- 屈曲测试结果相近：屈曲测试中，测量得到的屈曲应力为 3.33 ± 0.59MPa（n = 6） ，与计算值 4.86MPa 相近。两者之间的差异可能是由于样品制备过程中的一些因素，比如厚度均匀性以及测试时的排列情况等导致的。
- 负载诱导变形行为不同：在负载诱导变形观察实验中，将样品 A 和 B 弯曲成隧道形状并施加 10g 重量后，发现二者变形行为截然不同。样品 A 由于无杆的水平区域发生弯曲，导致隧道形状坍塌；而样品 B 则能维持隧道形状，这是因为杆的轻微突出在膜中产生了压力和拉力，实现了二者的平衡，展现出膜张拉整体结构的关键特征。
- 加载 - 卸载测试表现各异：加载 - 卸载测试进一步比较了样品 A 和 B 的变形行为和负载响应。样品 A 在位移增加过程中，隧道顶点先扩展变平，负载增加不明显；随后隧道侧面鼓起，负载上升；无杆区域弯曲又使负载增加变缓，卸载时形状逐渐恢复。样品 B 则在位移增加时，隧道顶点扩展变平，同时杆开始轻微突出，当板组件接触侧杆后，膜张力增大，负载显著上升，其最大负载达到 1.56 ± 0.47N（n = 8） ，几乎是样品 A（0.81 ± 0.16N，n = 11） 的两倍。卸载时，样品 B 的突出杆也能回到原位，恢复隧道形状。而且，循环测试证实了该功能薄膜在 100 次循环中变形行为和负载响应的重复性，测试后样品也未出现明显降解。
- 弯曲测试特性鲜明：弯曲测试揭示了样品 A 和 B 在负载变化和变形方面的显著差异。样品 A 的负载先是因最大曲率区域的弯曲而略有增加，随后逐渐下降并趋于稳定。样品 B 则不同，在垂直压缩位移约 0.5mm 时，负载大幅增加，这是因为相邻杆尖分开拉伸了膜，产生了恢复力；随着弯曲程度增加，杆开始突出，膜张力增大使负载再次上升；当中心杆开始屈曲时，负载增加停止。整个弯曲测试过程中，样品 B 的弯矩和刚度变化比样品 A 更显著，其弯矩和刚度始终大于样品 A，这表明样品 B 对弯曲的抵抗力更强。样品 B 的弯矩 - 曲率曲线斜率多次变化，弯曲刚度 - 曲率曲线也呈现出先显著增加、下降、再在曲率范围约 1000 - 2000m-1内增加、最后又下降的趋势，而样品 A 的相关曲线变化则相对单一。
研究结论与讨论
综合上述研究结果，这种受膜张拉整体结构启发设计的聚合物薄膜，在弯曲时会产生两种局部变形。一是杆突出、膜拉伸，将非轴向和平面外变形转化为局部单轴拉伸；二是最大曲率区域的形状发生变化，可能导致面积二次矩增加。这两种效应共同作用，使得薄膜的弯曲刚度逐渐增加。这一研究成果意义重大，它为在非单轴变形模式下实现 J 形刚度响应提供了可能，为功能材料设计开辟了新的思路。而且，该研究采用的多聚合物图案化技术具有高度的通用性，研究人员可以根据不同的应用需求，灵活调整聚合物的组成和图案配置，精确控制材料的刚度、柔韧性和变形行为。例如在软机器人领域，可用于优化机器人抓手的抓握力；在体育和康复护具方面，能根据特定运动范围调整支撑强度，提高预防受伤和恢复的安全性与有效性。不过，研究人员也指出，未来还需要进一步探索新的材料组合和复杂的几何图案，以便更好地优化材料的机械响应，让这种材料在更多领域发挥更大的作用。
