基于充气诱导屈曲的软多孔超材料实现智能驱动与可编程形变

研究人员针对传统多孔超材料仅能在压缩或真空条件下发生屈曲形变的局限，创新性地提出SPoNGe（Soft Porous Nonlinear Geometric）超材料体系。该研究通过理论建模、数值模拟和实验验证，揭示了充气条件下圆柱壳网络与端板的协同屈曲机制，实现了两瓣钻石形（two-lobe diamond）、交替椭圆（alternating ellipses）和三瓣模式（three-lobe）等可编程形变，为软体机器人提供了单压力输入即可实现的序列化抓取和流体控制新策略。

　　

自然界中蜂窝、软木等生物材料早已展现出多孔结构的力学优势，而受此启发的人工多孔超材料（metamaterials）通过结构设计实现了负泊松比、声学调控等非凡特性。传统多孔超材料依赖梁网络在压缩或真空下的集体屈曲行为，其形变模式受限于孔隙形状和排列方式。如何突破现有驱动模式局限，实现充气条件下的可控屈曲形变，成为软体机器人和智能材料领域亟待解决的难题。

《Nature Communications》最新发表的这项研究开创性地提出SPoNGe超材料体系，将传统橡胶板中的周期性孔洞重构为连通的圆柱壳网络。通过充气压力同时施加径向压缩和轴向拉伸，该结构在临界压力（p_cr）下触发全局屈曲不稳定性。研究团队结合解析模型、有限元模拟和实验验证，系统揭示了几何参数对屈曲模式（n-lobe）的调控规律：当圆柱壳高度L从46mm降至25mm时，形变模式从两瓣钻石形（n=2）经交替椭圆过渡到三瓣模式（n=3）。

关键技术方法包括：1）建立含端板效应的圆柱壳屈曲解析模型，预测临界压力p_cr与周向波数n；2）采用ABAQUS进行周期性边界条件下的非线性有限元分析；3）通过双步模具铸造工艺制备Zhermack Elite Double 8弹性体样品；4）设计压力-体积（PV）实验平台验证形变模式；5）开发基于能量比（U^b/U^t）的模态对齐模型。

【Buckling upon inflation】

实验显示不同高度的4×4阵列样品呈现阶梯式临界压力：L₁=46mm样品在0.58kPa时形成两瓣钻石模式，L₂=36mm样品在0.79kPa转为交替椭圆模式，L₃=25mm样品在1.13kPa触发三瓣模式。有限元模拟与实验PV曲线误差小于3%，证实解析模型预测n值的准确性。

【FE design space】

参数化研究表明，无量纲半径R?=0.18时端板弯曲能主导形成钻石模式（U_plate^b/U_plate^t>0.8）；R?=0.22时出现模式过渡；R?>0.25时圆柱壳拉伸能主导交替椭圆模式。

【Exploring modal alignment】

建立的罚函数模型Ξ(ζ,φ,δ)证明：钻石模式中圆柱壳最优旋转角φ=π/4（对角线对齐），而交替椭圆模式φ=π/2（与端板变形对齐）。

【Enabling selective actuation】

应用研究展示：1）通过差异化圆柱壳厚度（h₁=1.5mm vs h₂=2.5mm）实现试管抓取的序列化控制，左/右排抓取压力差达2.36kPa；2）利用双通道流体控制器，通过压力时序调控实现咖啡-奶油混合比η从0%到50%的精确调配。

该研究突破了传统超材料的驱动限制，建立了充气屈曲的理论框架，为软体机器人提供了分布式触点和多流体控制的新范式。未来可通过改变晶格类型（如三角形、六边形）探索几何挫败对三维形变的调控，进一步拓展SPoNGe超材料在智能可编程材料中的应用边界。