具有可重新编程功能和可重构变形的4D打印模块化扭转超材料

《Engineering Structures》：4D printing modular twisting metamaterials with reprogrammable functionality and reconfigurable deformation

　　

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  所设计的多功能扭转机械超材料（MTMM）展现出高度的模块化可编程性。
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  MTMM实现了即插即用的组装方式。
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  MTMM支持形状重构、可调泊松比和刚度调制。
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  MTMM展现出优异的隔振和缓冲性能。

引言

机械超材料通过构建周期性单元胞来引导结构层级的变形路径，从而实现传统固体无法达到的宏观行为[1]。代表性实例包括负泊松比/零泊松比结构[[2]、[3]、[4]]、准零刚度结构[[5]、[6]、[7]]以及多孔晶格架构[[8]、[9]、[10]]。得益于增材制造技术的进步，这些 architected 系统可以利用压凹抗力、高静态-低动态刚度和渐进压溃等特征机制，在能量吸收、隔振和耐撞性方面展现出广泛潜力[[11]、[12]、[13]]。在众多机械超材料系统中，扭转机械超材料尤为引人注目，因为其几何非线性使得压缩载荷无需复杂驱动即可激发额外的扭转自由度，从而在轴向压缩与旋转变形之间建立内在耦合[14,15]。与传统主要依赖单一变形模式（如拉胀变形、屈曲或折叠）的机械超材料不同，扭转超材料能够实现载荷传递路径和变形模式的可编程调控，为多功能集成、力学信息编码和智能可重构结构提供了额外的设计自由度[16,17]。

实现这种耦合的一种常见策略是引入手性，这是自然界中普遍存在的几何特征（例如山羊角、左右手、攀缘卷须和DNA），其定义是物体与其镜像不可重合[18]。通过定制手性拓扑和单元胞排列，已开发出各种扭转架构，包括四面手性晶格[19,20]、双曲面桁架系统[21]、Kresling折纸[22,23]以及倾斜支杆设计[24,25]，以产生可控的全局扭转响应。近期研究表明，尽管传统多孔晶格凭借其高结构刚度和显著的塑性变形在承载能力和总能量吸收方面具有优势，但手性晶格利用其内在的轴向压缩-扭转耦合来延迟和重新分布冲击载荷。同时，冲击能量可通过多种机制耗散，包括扭转引起的弹性应变能存储、冲击后振动耗散和部件间摩擦，从而有效降低峰值冲击力和局部应力集中[26]。

然而，一旦制造完成，传统手性扭转超材料通常具有固定的结构拓扑、力学响应和功能行为，使得制造后的重构和功能适应变得困难[27]。近年来，4D打印的快速发展为设计具有主动可调性和可编程变形的机械超材料提供了一条有前途的途径[28,29]。在各种刺激响应材料中，形状记忆聚合物（SMPs）可利用玻璃态到橡胶态的转变来编程和固定临时构型，并在热刺激下恢复原始形状[30,31]。这种刺激响应行为提供了一种有效途径，克服了传统上力学响应在制造后基本不可逆的局限，并激发了新兴的主动可编程 architected 材料策略，包括扭转超材料[32]。在此基础上，多刺激响应4D打印将碳纳米材料、连续碳纤维和Fe?O?磁性粒子等功能组分整合到SMPs中，通过电热或磁热驱动实现远程无接触形状恢复[[33]、[34]、[35]]，从而增强驱动灵活性和环境适应性。

与此同时，即插即用的模块化组装作为一种结构超材料制造的单体化制造的有吸引力的替代方案而兴起[[36]、[37]、[38]]。通过将复杂架构离散化为具有定制几何参数或材料性能的功能子模块，该策略能够在跨尺度上实现快速构建，并促进按需功能定制[39,40]。与单体增材制造相比，模块化组装缓解了工艺复杂性、可扩展性受限和多材料集成方面的挑战，同时大幅增强了结构可重构性和设计灵活性。尽管已取得进展，但智能材料驱动的模块化扭转机械超材料仍面临若干局限：(i) 力学性能与结构几何之间的强耦合。压缩刚度、扭转响应和变形模式强烈受手性杆件的倾斜角、尺寸和排列等几何参数控制。因此，调节这些力学响应通常需要改变整体结构尺寸或连接位置[41]。(ii) 功能可重构性有限。现有设计在很大程度上依赖于固定的单元胞几何形状和手性构型，使得制造后重构困难，限制了其对多样化任务的适应性[17]。(iii) 隔振研究不足。以往研究主要聚焦于冲击缓解和能量吸收，而准零刚度状态构建和持续激励下的振动传递率仍未得到充分探索。弥补这一差距对于开发真正多功能和任务适应性的扭转架构至关重要。

在此，我们报告了一种多功能扭转机械超材料（MTMM），它融合了生物启发手性与模块化可重构架构。通过简单的模块更换，无需重新打印整个结构，即可轻松重构全局载荷-位移响应和分级变形路径。与传统设计相比，本工作的关键创新有三方面：(i) 具有相同外部尺寸但不同内孔径的手性杆模块化库，实现了结构尺寸与力学性能的解耦调节；(ii) 有限标准组件集的重构可实现形状变形、刚度调节、能量吸收和信息编码之间的按需切换，为多功能性和任务适应性提供了可扩展途径；(iii) 通过结合结构准零刚度行为与形状记忆效应实现隔振，为低频振动防护提供了轻量且自适应的策略。

章节摘要

样品制备与材料表征

所有试样均使用熔融沉积成型（FDM）打印机（X1-Carbon，Bambu Lab，中国）制备。构成单元胞的板件和手性杆采用PETG线材（深圳市拓竹科技有限公司，中国）打印，可实现可逆变形和稳定的热触发动作。连接相邻单元胞的柔顺弯曲韧带采用TPU 95 A（深圳市拓竹科技有限公司，中国）制备。

按照ISO 527–2:2012标准，

MTMM的设计与组装

受类似乐高积木的组装范式和山羊角螺旋几何的启发，提出了一种模块化组装的MTMM。如图1a所示，MTMM单元胞（a = b = 30 mm，h = 67 mm）采用双层架构，由两块薄板（t₁ = 5 mm）、一块较厚的中间板（t₂ = 7 mm）和八根相同的手性杆（l₁ = 16 mm，l₂ = 25 mm）组成。厚板和薄板的每侧分别排列了四个和两个相同的梯形槽。手性杆件

结论

受乐高积木模块化组装和山羊角螺旋几何的启发，本研究提出了一种基于模块化组装策略的多功能扭转机械超材料（MTMM），并通过3D打印形状记忆聚合物（SMPs）制备。MTMM单元胞展现出高度的模块化可编程性，通过选择性地更换和重新组装手性杆件，可实现刚度可调、手性可重构和变形响应可重构。

CRediT作者贡献声明

冯晓迪：撰写 – 初稿、验证、方法论、概念化。马思琪：撰写 – 审阅与编辑、软件、资源、形式分析。付帅：撰写 – 审阅与编辑、方法论。卢一凡：资源、资金获取。岳浩浩：资源。Paolo Colombo：撰写 – 审阅与编辑、概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金委员会（52375049）、中央高校基本科研业务费（FRFCU5710050624）、中国博士后科学基金（项目编号2024M764180）以及航天航空局重点实验室基金（项目编号JZJJXW20250014）的支持。

冯晓迪|马思琪|付帅|卢一凡|岳浩浩|Paolo Colombo