基於平面點陣的材料組裝設計，實現網狀材料整體的較大膨脹和收縮。
軟質自適應材料是一類隨著周圍環境的變化，其形狀、體積和性質也隨之發生變化的材料，在組織工程、軟體機器人、仿生傳感器以及柔性顯示等方面有著重要的應用。多數軟材料在吸收水分時，展現出的是正溶脹的性質，即材料在吸水後膨脹。現階段，如何實現具有各向異性性質的負溶脹超材料仍是一項挑戰。
近日，清華大學張一慧課題組和北京理工大學方岱寧課題組合作，提出了一種基於平面點陣的異質材料組裝設計。該設計基於複合梁的偏心原理，利用不同層材料吸水變形過程中膨脹變形的差異，實現網狀材料整體的較大膨脹和收縮。研究人員通過展示網狀材料的吸水變形和脫水回覆的過程，驗證了網狀材料的變形可逆性，同時闡述了網狀材料的變形機制以及控制原理。基於數值模擬和理論分析，提出了具有非常規溶脹行為的網狀材料設計方法，並實現了網狀材料溶脹變形的各向異性調控，展示了多種非常規溶脹行為的設計示例。此外，研究人員還發現新設計的網狀材料具有獨特的“J”型應力-應變曲線，即加載過程中當應變超過某一臨界值，網狀材料的彈性模量將急劇增加。通過控制吸水時間，可以精確控制網狀材料的臨界應變及彈性模量等力學特性，在可展開天線和軟體機器人等方面有著重要的潛在應用。
研究人員首先研究了具有各向同性性質的網狀材料的溶脹變形過程（圖1（a）及（b））。當網狀材料浸沒於水中時，主動層（水凝膠層）吸水膨脹，利用偏心原理，直杆產生彎曲變形，網狀結構變形為馬蹄形形狀，結構整體表現為收縮。當浸沒時間達到45min時，馬蹄形結構發生自接觸，達到變形極限，此時溶脹線收縮率可達45%。然後將完全吸水的網狀材料置於75oC的空氣烤箱中，主動層（水凝膠層）發生脫水，網狀材料逐漸恢復到初始狀態。研究人員還發現通過控制吸水/脫水時間可以精確調節網狀材料臨界應變、彈性模量等力學特性（圖1（c））。
圖1：A圖為網狀材料吸水和脫水過程中的構型演變。B圖為溶脹應變隨時間演變的曲線圖。C圖為不同吸水/脫水狀態下的應力-應變曲線。比例尺為40毫米。
圖2介紹了一種吸水過程中先膨脹後收縮的獨特網狀材料設計。網狀材料吸水發生膨脹變形，促使具有初始曲率的曲杆逐漸變直，直到馬蹄形結構達到直杆狀態，網狀材料整體膨脹。繼續吸水，微結構發生反向變形，直杆產生彎曲變形，網狀材料重新變形成為馬蹄形結構，網狀結構整體收縮。隨著吸水時間增加，網狀材料將呈現出先膨脹後收縮的特性。
圖2：先膨脹後收縮的軟質網狀材料設計，其中上圖和下圖分別為模擬結果和實驗結果。比例尺為40毫米。
相比於之前的研究成果，研究人員提出的新型網狀設計不僅能夠實現較大的結構溶脹變形，同時還具有獨特的溶脹各向異性性質（圖3和圖4）。通過調整主動層（水凝膠層）的鋪設位置，可實現新型網狀材料的各向異性特性。通過將主動層（水凝膠層）部分鋪設在斜向直杆，而豎直方向直杆不進行鋪設，可實現網狀材料溶脹過程中X方向收縮，而Y方向變形為零（圖3(A)及(B)）。通過將主動層（水凝膠層）僅鋪設與水平直杆方向，而斜向直杆不鋪設，則網狀材料呈現出X方向收縮、Y方向膨脹的溶脹特性（圖3(C)及(D)）。
圖3：A圖及B圖為X方向收縮、Y方向變形為零的超材料溶脹應變隨溶脹係數變化曲線圖及實驗結果圖。C圖及D圖為X方向收縮、Y方向膨脹的超材料溶脹應變隨溶脹係數變化曲線圖及實驗結果圖。比例尺為40毫米。
圖4：各向同性及異性的大溶脹行為設計。圖中紅線表示文章中展示的溶脹行為。
論文以Soft mechanicalmetamaterials with unusual swelling behavior and tunable stress-strain curves為題，6月8日發表於Science Advances。清華大學張一慧副教授和北京理工大學方岱寧教授為本文的共同通訊作者。清華大學航院博士生張航為本文的第一作者。合作者包括清華大學航院博士後郭曉崗和本科生鄔軍。該研究成果得到了國家自然科學基金項目、中組部青年千人計劃項目和清華信息科學與技術國家實驗室的支持。
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