通过拓扑驱动的硬度变化和电化学激活实现形态生成金属

《Small》：Morphogenetic Metals through Topology-Driven Stiffness Changes and Electrochemical Activation

本研究通过电化学激活的拓扑变化，实现了304不锈钢金属格子的可逆刚度调控，刚度范围从1.1 MPa到2.6 GPa，并首次在金属材料中实现了 auxetic/non-auxetic行为的电化学切换。方法采用激光切割制备含中心可电镀接头的单元格子，通过铜的沉积/蚀刻在微米级间隙实现连接/断开，配合拓扑优化算法设计多级刚度状态。实验表明该材料具有200次循环稳定性，能量密度仅为0.1 mW/mm3，且通过2x2格子阵列可连续调节刚度值。应用层面验证了假肢动态适配行走/跑步场景的可行性，并成功实现封装式振动控制系统。

　　自然界中，生物体通过形态发生（morphogenesis）展现出惊人的适应能力。这种能力不仅让生物体能够改变自身结构以适应环境变化，还赋予了它们在不同条件下生存和进化的潜力。在材料科学领域，研究者一直试图模仿这一过程，以创造出具有类似自适应特性的智能材料。这类材料能够在特定条件下调整其物理特性，如硬度、刚度、密度和弹性，从而实现更广泛的功能应用。然而，传统材料在这些方面存在一定的局限性，尤其是金属材料，它们通常具有较高的强度和刚度，但在常温下难以实现形态的可逆变化，这限制了其在某些动态环境中的应用。

金属材料在人类文明的发展中扮演了至关重要的角色，因其出色的机械性能被广泛用于结构制造。然而，由于金属原子在常温下难以移动，因此传统金属材料无法像软材料那样在外部刺激下实现形态变化。而近年来，研究人员提出了一种新的方法，通过电化学激活的拓扑变化来实现金属材料的可逆刚度调控，这为金属赋予了类似生物的形态适应能力，从而开辟了新的研究方向。

这一研究的核心在于通过电化学方法实现金属晶格结构的可逆变化。具体而言，研究者通过在金属晶格中添加或移除特定的支撑结构，从而实现从弯曲主导型到拉伸主导型的转变。这一转变能够显著改变材料的刚度，而这种刚度变化可以在极低的能耗和材料消耗下实现。例如，实验中展示了一种钢制晶格单元，其刚度可在1.1 MPa至2.6 GPa之间变化，这相当于从软质材料到高强度金属的刚度范围。通过这种可编程的刚度变化，材料可以灵活适应不同的应用场景，如机械系统中的振动控制、可变形结构或智能设备的动态响应等。

这种技术的关键在于电化学过程的可控性。研究人员利用铜电沉积和电化学腐蚀技术，实现了晶格结构的连接与断开。在这一过程中，金属晶格被设计成具有可逆的电连接点，这些连接点可以在特定的电势下被激活或关闭。具体来说，当施加负电势时，铜离子会从电解液中沉积到晶格的指定区域，从而形成新的结构，增强其刚度；而当施加正电势时，沉积的铜会被腐蚀，恢复到原始状态。这种方法不仅能够实现材料刚度的可逆调控，还能在室温下进行，避免了传统金属加工中需要高温或高压的限制，从而保持了材料原有的高强度和刚度特性。

为了进一步验证这一方法的可行性，研究者设计并测试了多种结构。他们发现，当晶格结构的某些关键支撑被移除或添加时，其整体的机械性能会发生显著变化。例如，通过调整晶格中不同方向的支撑厚度，可以控制材料的刚度变化幅度。实验结果显示，当晶格的支撑厚度增加时，其刚度也会相应提升，而这种提升与支撑厚度的立方成正比。相比之下，如果仅改变晶格的密度，则刚度的变化幅度较小，且主要依赖于材料的密度和结构的几何形状。因此，通过电化学调控晶格结构的连接方式，可以实现更高效的刚度变化，而不需要改变材料的密度。

此外，该技术还能够实现材料在多个刚度状态之间的切换。通过将多个晶格单元组合成一个更大的晶格结构，研究人员可以进一步扩展刚度的可调节范围。例如，一个2×2的晶格结构可以实现从最低刚度到最高刚度之间的多个中间状态，这使得材料在不同负载条件下具有更高的适应性。这种可编程的刚度特性对于需要在不同环境条件下工作的设备尤为重要，如智能假肢、可变形机器人或自适应机械结构。

为了验证这种材料在实际应用中的效果，研究者设计了一个实验装置，用于测试材料在振动条件下的响应能力。该装置由一个封装的晶格结构和一个可调节的电极组成，能够在外部施加电势时实现晶格结构的刚度变化。通过在不同刚度状态下测试该装置的振动响应，研究人员发现，当材料处于软态时，其刚度较低，导致振动频率与系统频率接近，从而引起较大的振幅；而当材料处于硬态时，其刚度显著提高，使得系统频率远高于输入频率，从而抑制振动。这一实验结果表明，该材料可以用于机械系统的振动控制，其性能优于传统的静态材料。

与此同时，研究者还探索了如何利用拓扑优化技术设计具有负泊松比（auxetic）特性的材料。泊松比是材料在受力时横向变形与纵向变形的比值，通常为正值，表示材料在拉伸时横向收缩。而负泊松比材料则表现出相反的行为，即在拉伸时横向扩张，这种特性在某些工程应用中具有独特的优势。通过电化学激活的拓扑变化，研究者设计了一种能够在非负泊松比和负泊松比之间切换的材料结构。这种结构在实验中表现出良好的性能，能够实现显著的泊松比变化，同时保持材料的强度和刚度。

这一研究的突破在于，它不仅实现了金属材料的可逆刚度调控，还展示了其在动态系统中的应用潜力。通过电化学方法，金属材料能够在不破坏其基本结构的前提下，实现形态的可逆变化，从而赋予其类似于生物组织的自适应能力。这种能力在智能材料领域具有重要意义，因为它使得金属材料能够像生物一样在外部刺激下发生结构变化，进而调整其性能以适应不同的需求。

在实验过程中，研究人员还关注了材料的耐久性和稳定性。他们发现，通过合理选择电解液和晶格材料，可以实现超过200次的可逆电化学操作，而不会导致材料的结构损坏或性能下降。这一结果表明，该技术具有较高的应用可行性，能够满足实际工程中对材料稳定性的要求。

总的来说，这项研究为金属材料的形态发生提供了全新的思路和技术手段。通过电化学激活的拓扑变化，金属材料能够在常温下实现刚度的可逆调控，从而展现出类似生物组织的自适应能力。这种技术不仅拓宽了金属材料的应用范围，还为智能材料的发展提供了重要的理论基础和实践指导。未来，随着材料科学和工程技术的不断进步，这种技术有望在更多领域得到应用，如航空航天、生物医学工程和智能机器人等。