北京理工大學(xué)方岱寧院士李營教授團(tuán)隊Advanced Science綜述： 智能驅(qū)動力學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)筑原理的最新進(jìn)展
?結(jié)構(gòu)智能集成一體化要求裝備通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與集成，實現(xiàn)形狀、性能和功能在時間和空間維度上可控變化，在不同模態(tài)或不同環(huán)境下實現(xiàn)變形、變性和變功能的“三變”。目前的力學(xué)超結(jié)構(gòu)（超材料）已經(jīng)難以滿足日益提高的應(yīng)用需求。智能驅(qū)動力學(xué)超結(jié)構(gòu)（超材料） (Active Mechanical Metamaterials, AMMs) 是一類具有感知外界激勵、主動判斷并作出響應(yīng)功能的材料，能夠通過“感知-響應(yīng)”來滿足應(yīng)用場景的需求和模態(tài)變化，受到了科學(xué)家的廣泛研究。AMMs內(nèi)部精巧的人工設(shè)計微結(jié)構(gòu)和自身智能材料的刺激響應(yīng)特性，使其不僅繼承了力學(xué)超結(jié)構(gòu)的超常力學(xué)性能，還具備了強(qiáng)大的驅(qū)動功能。AMMs的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)是根據(jù)幾種基本的力學(xué)構(gòu)筑原理設(shè)計的，即相變原理、應(yīng)變失配原理以及力學(xué)失穩(wěn)原理?？紤]到刺激響應(yīng)材料的可控性和實際工作效率，研究人員使用溫度、化學(xué)物質(zhì)、光、電、磁場和壓力作用這些外部物理場作為激勵場。北京理工大學(xué)方岱寧院士李營教授團(tuán)隊?wèi)?yīng)邀從力學(xué)構(gòu)筑原理和刺激響應(yīng)材料兩方面，系統(tǒng)性地總結(jié)了AMMs的前沿工作和最新進(jìn)展（如圖1），對比了不同類型AMMs的特點和適用場景，并討論了AMMs的功能和工程應(yīng)用，最后簡要描述了該領(lǐng)域目前存在的問題和發(fā)展前景。這篇綜述有望為AMMs的后續(xù)研究工作提供依據(jù)和啟發(fā)。
圖1 智能驅(qū)動力學(xué)超結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑原理、驅(qū)動物理場以及應(yīng)用
?作者將AMMs的力學(xué)構(gòu)筑原理歸納為主要的三大類。首先是相變原理。相變原理是指當(dāng)外力（如溫度、外力）不斷作用于材料直至某一特定條件時，導(dǎo)致材料微觀結(jié)構(gòu)的變化和宏觀上的狀態(tài)變化。最常見的相變現(xiàn)象是材料在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)化。在相變過程中，各組分之間的分子間相互作用使整個材料經(jīng)歷一系列的性質(zhì)變化或變形，因此，相變原理可作為一大類AMMs的構(gòu)造方法。第二種是應(yīng)變失配原理。應(yīng)變失配是指介質(zhì)中應(yīng)變的不連續(xù)變化，常發(fā)生在由兩種或兩種以上不同材料組成的結(jié)構(gòu)中。由于各部分力學(xué)性能的不同，在環(huán)境或荷載條件的作用下，各組分間不協(xié)調(diào)的應(yīng)變導(dǎo)致界面處產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形等響應(yīng)。基于應(yīng)變失配原理，通過預(yù)設(shè)的材料部署（例如將兩種具有不同熱膨脹系數(shù)或溶脹率的材料粘合），可以實現(xiàn)具有主動變形能力和可控響應(yīng)特性的超結(jié)構(gòu)（如圖2）。第三種是力學(xué)失穩(wěn)原理，包含了微觀和宏觀的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)兩個層面。在微結(jié)構(gòu)層面，材料被認(rèn)為是幾種相的結(jié)合，其中均勻線彈性相具有正定模量，而非正定彈性模量相具有負(fù)剛度，這些成分由于相互約束而暫時穩(wěn)定。根據(jù)勢能最小原理，微結(jié)構(gòu)材料將按照能量最小的順序排列，具有非凸能勢的材料會跳過均勻變形，迅速躍遷到低勢能的位置，表現(xiàn)出相轉(zhuǎn)換、疇變、應(yīng)變局部化等宏觀不穩(wěn)定性。因此，基于材料失穩(wěn)的超結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心是控制加載過程中材料最小勢能點的數(shù)量和最小勢能點出現(xiàn)的時間。在宏觀結(jié)構(gòu)層面，力學(xué)不穩(wěn)定表現(xiàn)為屈曲、扭曲、起皺、折疊、壓痕等，這些大變形和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的模式轉(zhuǎn)換。基于力學(xué)失穩(wěn)設(shè)計的AMMs如圖3所示。
圖2 基于應(yīng)變失配原理的智能驅(qū)動力學(xué)超結(jié)構(gòu)
圖3 基于力學(xué)失穩(wěn)原理的智能驅(qū)動力學(xué)超結(jié)構(gòu)
?除了力學(xué)構(gòu)筑原理，外激勵物理場的可控性和高效性也是AMMs的重要參考依據(jù)。（1）熱驅(qū)動型AMMs，常用的材料包括形狀記憶聚合物或合金、過度金屬氧化物、熱響應(yīng)液晶彈性體和熱響應(yīng)水凝膠等，由于其控制手段簡便而被應(yīng)用得最為廣泛。如圖4(a)所示，結(jié)合手性構(gòu)型和形狀記憶聚合物，研究人員開發(fā)出了力學(xué)性能可調(diào)節(jié)、變形可恢復(fù)的智能超結(jié)構(gòu)；圖4(c)展示了一種多材料水凝膠血管支架，能夠在人體中進(jìn)行受控的藥物輸運和藥物釋放；如圖4(f)則是一種能夠通過環(huán)境溫度調(diào)節(jié)其力學(xué)性能的折紙結(jié)構(gòu)。實際上，后面幾類基于電熱、光熱和磁熱原理的AMMs，本質(zhì)上都屬于熱驅(qū)動型。（2）化學(xué)驅(qū)動型AMMs主要基于結(jié)構(gòu)與環(huán)境之間的化學(xué)反應(yīng)，取材非常廣泛，如化學(xué)響應(yīng)水凝膠、金屬離子、化學(xué)活性聚合物等。其驅(qū)動策略是將化學(xué)響應(yīng)材料的置于如水、酸、有機(jī)或離子溶劑等液體環(huán)境中，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，讓AMMs在受到外部化學(xué)刺激時呈現(xiàn)出可控變形。化學(xué)響應(yīng)具有精確控制和響應(yīng)靈敏的特點，適用于各種微型系統(tǒng)。（3）光驅(qū)動型AMMs是通過在聚合物網(wǎng)絡(luò)中混合光響應(yīng)官能團(tuán)作為分子開關(guān)或光熱轉(zhuǎn)換劑來實現(xiàn)的，大致可分為光化學(xué)反應(yīng)和光熱反應(yīng)。受到外部光源的刺激，光響應(yīng)組分發(fā)生變形，從而引發(fā)整體結(jié)構(gòu)在宏觀尺度上的變形或移動。如圖5(f)所示，研究人員結(jié)合剪紙結(jié)構(gòu)和光響應(yīng)液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種能夠在光源的引導(dǎo)下完成滾動、轉(zhuǎn)向和爬坡等動作的棘輪形機(jī)器人。（4）電驅(qū)動型AMMs也可以分為兩大類。第一種是利用導(dǎo)體中電流產(chǎn)生的熱能來驅(qū)動機(jī)械變形，仍然屬于熱驅(qū)動。代表性的是基于電熱效應(yīng)的導(dǎo)電形狀記憶聚合物和合金。另一種類型的電響應(yīng)AMMs則是將外部電響應(yīng)轉(zhuǎn)化為物理或化學(xué)反應(yīng)。如電化學(xué)響應(yīng)材料、電活性聚合物、介電彈性體和離子聚合物-金屬復(fù)合材料等。電驅(qū)動型AMMs應(yīng)用方便，但目前大多數(shù)產(chǎn)品都需要接線工作，這是制約其發(fā)展的因素之一。（5）磁驅(qū)動型AMMs是目前最熱門的智能超結(jié)構(gòu)之一，由于其響應(yīng)靈敏、遠(yuǎn)程控制、安全無害等優(yōu)點受到了研究人員的青睞。代表性的有將磁性顆粒和軟材料基體混合制備的磁軟材料。其中，以羰基鐵、四氧化三鐵為代表的軟磁性顆粒具有較小矯頑力和低剩磁，難以保持磁化方向，但其制備和應(yīng)用相對簡單；以釹鐵硼為代表的硬磁性顆粒具有較大的矯頑力和高剩磁，經(jīng)過磁化后能夠保持磁化方向，從而被外部磁場精確地驅(qū)動，因此適用于對控制精度要求更高的場景。如圖6所示，結(jié)合力學(xué)超結(jié)構(gòu)構(gòu)型，研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種磁驅(qū)動型AMMs。（6）壓力驅(qū)動型AMMs使用便捷，近年來也受到了大量關(guān)注，只要在軟材質(zhì)基體內(nèi)設(shè)置通道或空腔，并通過充放流體的方式產(chǎn)生壓力，就能夠改變超結(jié)構(gòu)的形狀或使其產(chǎn)生運動。但是這種方式也有包括控制精度較差、需要流體通道等問題，難以運用到精密系統(tǒng)中。總的來說，根據(jù)不同的使用場景選擇合適的刺激響應(yīng)材料來制備，能夠更好地發(fā)揮AMMs的力學(xué)特性和智能驅(qū)動特性。
圖4 熱驅(qū)動型智能驅(qū)動力學(xué)超結(jié)構(gòu)
圖5 光驅(qū)動型智能驅(qū)動力學(xué)超結(jié)構(gòu)
圖6 磁驅(qū)動型智能驅(qū)動力學(xué)超結(jié)構(gòu)
?論文還總結(jié)了AMMs在各種領(lǐng)域的用途，有以爬行和游泳微型機(jī)器人為代表的智能機(jī)器人領(lǐng)域。包含微流控系統(tǒng)、微型驅(qū)動器、超疏水表面、柔性電池在內(nèi)的各種微型化系統(tǒng)。包括智能抗沖擊結(jié)構(gòu)、智能隱身斗篷、力學(xué)聲學(xué)和電磁隱身設(shè)備、智能天線在內(nèi)的工程機(jī)械領(lǐng)域。包括柔性電子、仿生皮膚、仿生組織超結(jié)構(gòu)、血管支架、靶向運輸載體等在內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。AMMs在這些領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用，并且具有非常廣闊的應(yīng)用前景。隨著力學(xué)和材料學(xué)的不斷發(fā)展，未來將出現(xiàn)更多的新型智能驅(qū)動力學(xué)超結(jié)構(gòu)，為生產(chǎn)生活提供動力。
?該綜述文章以Recent Progress in Active Mechanical Metamaterials and Construction Principles為題發(fā)表在Advanced Science（影響因子16.806）上。在北京理工大學(xué)方岱寧院士的指導(dǎo)下，博士研究生齊驥翔為本文的第一作者，李營教授和陶然副教授為本文的共同通訊作者。方岱寧院士團(tuán)隊的爆炸毀傷與先進(jìn)防護(hù)結(jié)構(gòu)小組成立于2017年，主要從事先進(jìn)防護(hù)材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計，智能力學(xué)超結(jié)構(gòu)設(shè)計制造等研究。本文通訊作者李營教授主要從事爆炸沖擊與多功能防護(hù)設(shè)計、力學(xué)超結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造等研究，擔(dān)任爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室研究部主任，中國力學(xué)學(xué)會水中爆炸動力學(xué)組副組長、航天材料標(biāo)準(zhǔn)委員會委員等職務(wù)，獲國家萬人計劃青年拔尖人才、中國科協(xié)青年托舉人才、學(xué)會優(yōu)秀博士論文等。通訊作者陶然副教授主要從事高性能復(fù)合材料，智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造工藝、力學(xué)設(shè)計和實現(xiàn)技術(shù)研究。
?課題組招收力學(xué)、復(fù)合材料、兵器、機(jī)械、船舶等學(xué)科博士后，待遇從優(yōu)，可面談。郵箱bitliying@bit.edu.cn。
?原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202102662
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點或證實其真實性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)，請聯(lián)系我們及時修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com