仿生扭转双曲超材料在无人机冲击缓冲与自供电实时传感中的突破性应用

针对无人机(UAV)湍流振动引发的结构疲劳风险，研究人员开发出集成摩擦纳米发电机(TENG)的仿生扭转双曲超材料(THM)保护器，实现40-4300 N/mm刚度可调、70%冲击能量吸收和0.25 J/g比吸能，同时通过自供电传感实时监测≤5 Hz的1000 N冲击载荷。该工作为航空航天轻量化多功能防护系统提供了创新解决方案。

　　

无人机在飞行过程中常面临湍流引发的振动冲击，这些瞬态、非周期性的冲击载荷可能导致结构疲劳甚至飞行事故。传统防护材料如复合材料和橡胶难以兼顾轻量化、高能量吸收与实时监测功能，而现有传感器又存在灵敏度不足和外部供能限制。受甲虫鞘翅微观结构中螺旋柱状小梁的启发，研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表论文，提出了一种集成摩擦纳米发电机(TENG)的仿生扭转双曲超材料(THM)保护系统，通过3D打印技术实现机械防护与自供电传感的双重功能。

关键技术包括：1) 基于甲虫鞘翅和建筑双曲结构的仿生设计；2) 多喷熔融成型(MJF)3D打印PA12尼龙材料；3) 结合龙皮肤30@PVDF复合介电层的TENG制备；4) 有限元分析(FEA)和COMSOL多物理场仿真；5) 嵌入式MCU系统集成蓝牙传输与GPS定位功能。

【机制与设计】

THM保护器采用双曲螺旋结构，通过拓扑优化确定支柱直径(d₀-d₃)和扭转角θ(15°-90°)，其压缩-扭转耦合变形可将动能转化为弹性势能和摩擦耗散。理论计算显示比吸能(SEA)达0.25 J/g，FEA模拟与实验误差<5%。

【力学性能】

30° THM样品表现出4300 N/mm的高刚度，70%能量吸收率，动态冲击下峰值力从>3000 N降至~1000 N。通过Chaboche粘塑性本构模型验证，其性能优于传统晶格结构。

【电学特性】

集成单电极TENG的THM-TENG/30°器件在2 Hz冲击下产生9.6 V开路电压(V_oc)，响应时间36 ms。5000次循环后信号变异系数<3.2%，可点亮63个LED或为100μF电容充电。

【无人机应用】

嵌入无人机蒙皮的THM-TENG实现双重功能：当电压阈值T1(8 V)<>_pppp>200 V时通过GPS回传位置信息。实测280 V冲击成功触发定位数据传输。

该研究开创性地将仿生超材料与自供电传感结合，解决了传统防护系统"感护分离"的难题。THM-TENG保护器仅重10克，其刚度可调范围覆盖40-4300 N/mm，适用于不同尺寸无人机。未来通过优化气流噪声抑制和多通道信号分析，有望拓展至航空航天、机器人等领域，为智能结构健康监测提供新范式。