Nature重磅：锁子甲也可以变得很智能！

【背景介绍】

智能织物是一类可以感知、响应环境刺激来改变其性质、测量以及对外通讯的可穿戴材料。他们的应用领域通常包括医学监测、可穿戴计算和能量富集等。这类材料一般通过将柔性电子电路（用于感知和计算）、相变材料（用于热调节）或者光伏材料（用于太阳能富集）集成到传统织物上而得到。一旦这类织物成功制备，它们都是固定无法变形的。而对于力学性质可调的织物，目前几乎未见研究报道。这类机械可适应织物能够对人体产生机械反馈，从而完成关节辅助、触觉等功能，有望拓展智能织物的应用领域。

【成果简介】

加州理工学院的Chiara Daraio（通讯作者）团队通过将三维颗粒（可互锁的空心八面体）集成到层状锁子甲中设计了一种具有可调弯曲系数的新型结构化织物（structured fabrics）。这一新型锁子甲由尼龙塑料聚合物3D打印而成，可以改造适应复杂的形状，而一旦进行真空包装后，其会转变成刚性结构，这是因为三维颗粒会发生互锁行为并导致锁子甲被固定（堵塞转变，jam）。研究展示了只需很小的外部压力（93千帕左右），锁子甲片层就会变得十分坚硬，其硬度比松弛状态下要高出25倍。作者认为，抗弯强度的极具增加源于互锁颗粒具有很高的抗拉强度。研究进一步使用离散元模拟来寻找锁子甲微观结构与宏观性质的关系并以此解释实验测量现象，发现由非凸（convex）颗粒组成的锁子甲在经历堵塞相转变时可以用特征幂律函数来进行描述。这一工作可推动轻质、可调控织物在可穿戴外骨骼等领域的应用发展。研究成果以题为“Structured fabrics with tunable mechanical properties”发布在国际著名期刊Nature上。

【图文解读】

图一、结构化锁子甲织物的设计及其原型

（a）单结构化颗粒（左）以及三互锁颗粒（右）的示意图；

（b）三维打印锁子甲；

（c）二层锁子甲的数值模拟；

（d）柔软状态的锁子甲的数码图像；

（e）（c）中颗粒在施加封闭压力后的构型；

（f）堵塞状态的锁子甲的数码图像。

图二、多种封闭压力（confining pressure）下的弯曲和拉伸测试

（a）不同封闭压力下织物的力-位移曲线；

（b）表观弯曲模量与封闭压力的函数关系；

（c）不同方向拉伸测试示意图；

（d）沿着多种载荷方向的表观弯曲和拉伸模量模拟。

图三、不同封闭压力下模拟获得的微结构化信息

（a,b）封闭压力分别为2 kPa（a）和93kPa（b）下制备的织物的每个颗粒的接触数颜色分布图；

（c,d）封闭压力分别为2 kPa（c）和93kPa（d）下制备的织物的压缩和拉伸接触点的空间分布；

（e,f）封闭压力分别为2 kPa（e）和93kPa（f）下制备的织物的法向和切向接触力的概率分布；

（g）每颗粒平均接触数和表观弹性模量之间的关系。

图四、形变可重构性、可调的抗冲击性及其应用

（a）织物形成平台形状并在载荷为1.5千克时的状态；

（b）织物形成拱形并在载荷为1.5千克时的状态；

（c,d）封闭压力分别为0 kPa（c）和67 kPa（d）下制备的织物的冲击测试的高速相机照片；

（e）可重构织物在不同尺度下的潜在应用。

【小结】

这一工作系统探索了由非凸互锁颗粒组成的结构化织物的力学和结构。由于堵塞转变是一种与尺度无关的物理现象，研究可以在不同尺度下实现可重构织物。因此，结合现有的增材打印技术，这些织物的厚度可在微米到米级范围进行调控，并且能够使用不同的组分材料进行打印以此实现不同的应用。更重要的是，通过集成其他压力封闭方法（如磁学和电学控制方法），未来有望在织物的不同位置编程织物硬度，以适应触觉接口以及医疗刺激等领域的应用。

文献链接：Structured fabrics with tunable mechanical properties, Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03698-7.