这件衣服，Nature造！
纳米人
2021-08-12
第一作者：Yifan Wang，Liuchi Li智能织物是一种可穿戴材料，可以感知和响应环境刺激，改变其特性或测量数据并将数据传递给外部记录设备。其应用包括医疗监测、可穿戴计算和能量采集等。具有可适应或可调节机械性能的织物可以向人体提供机械反馈，并执行诸如关节辅助、支撑和触觉等功能。众所周知，颗粒状颗粒或层状结构的聚集在阻塞（jamming）过程中其机械性能会发生变化。阻塞相变不像普通材料中的那样依赖于温度变化，由颗粒物质中的局部几何约束来控制。阻塞转变使无序颗粒系统可以在具有类流体塑性的变形和具有类固体刚性的变形之间进行可逆切换，并伴随着堆积分数的变化。阻塞已被用于制造具有自适应机械特性的智能材料，例如，软机器人抓手、冲击吸收材料和可重构结构中。然而，传统的颗粒状材料具有致密性，并且在阻塞时需要大的体积来提供足够的机械刚度。此外，凸粒子组合无法承受张力。这限制了它们的弯曲刚度和拉伸强度，因此不适合可穿戴织物。有鉴于此，加州理工学院Chiara Daraio教授报道了开发了一种由排列成分层链甲三维颗粒组成的具有可调弯曲模量的结构化织物。链甲形状复杂，但当在它们的边界上施加压力时，颗粒互锁，且链甲阻塞。在小外部压力（约93千帕）下，这种片材变得比松弛状态下坚硬25倍以上。这种抗弯强度的显著增加是因为互锁颗粒具有高抗拉强度。通过离散元模拟，将链甲的微观结构与其宏观特性联系起来，并解释实验测量结果。研究发现，由不同的非凸颗粒组成的链甲经历了一个阻塞相变，该相变可通过类似于常规凸介质行为的特征幂律函数来描述。这种具有可调机械性能的织物是用于智能可穿戴应用的有前途的候选材料。受古代链甲和拓扑互锁的启发，研究人员设计了一种由两层互锁颗粒组成的结构化织物。在这种材料中，每个颗粒都是一个空心的三维（3D）结构，由连接的桁架构成，旨在降低整体密度并增强元素之间的接触（图1a）。此外，八面体颗粒的90 °旋转对称性可以在互锁构型中形成正方形的2D晶格，并且尖角增加了层之间的接触。通过将相邻的颗粒相互旋转90 °，并通过拓扑互锁所有颗粒而形成链甲。同时，使用选择性激光烧结方法制造出互锁晶格，在没有额外支撑的情况下可以将晶格打印成一块（图1b）。此外，研究人员堆叠了两层链甲，以增加颗粒接触的数量。就像链甲一样，得到的结构化薄片可以自由弯曲、折叠和覆盖在弯曲的物体上（图1c，d）。颗粒通过厚度互锁（即，两层堆叠在一起，但没有物理链接），可以在层之间滑动，从而实现了更高的灵活性。为了调节织物的有效机械性能，研究人员通过在边界施加可变压缩来触发互锁颗粒之间的堵塞（图1e，f）。将两层封装在一个气密的柔性封套中，由于两层之间具有弱耦合，因此仍然可以很容易地弯曲。为了引发堵塞，研究人员接着施加了一个约束压力（将空气从封套中抽出来），导致在织物边界处产生约束应力。这增加了颗粒的总堆积分数，引发了阻塞转变，增加了弯曲模量，并将织物转变为承重结构（图1f）。为了阐明导致织物弯曲刚度增加的基本机制，研究人员通过数值模拟研究了颗粒之间的微观相互作用和位移（图2a）。研究人员通过水平集-离散元方法将链甲体系结构建模为一个颗粒系统（LS-DEM）。LS-DEM可以揭示任意形状颗粒形成的细微结构。通过构建空心八面体颗粒的“digital twin”来对织物建模，然后对其复制和重新排列以再现结构化织物。同时，将实验中使用的柔性封套建模为离散的弹性层。在校准之后，该模型捕捉动力学的时间演变，并定量预测织物在不同围压下的表观弯曲模量（图2b）。研究发现，织物的硬挺度需要非常小的体积收缩率（低于5%）。这是因为阻塞是一种急剧的相变，颗粒堆积分数具有很小的变化。对比结果显示，在相同的约束压力下，互锁织物表现出比松散颗粒聚集体更高的弯曲模量（大约高出三倍）。这种阻塞下模量的提高可以归因于拓扑互锁引起的颗粒间的拉伸阻力，这在松散的颗粒聚集体中不存在。此外，研究人员们还通过沿不同方向进行弯曲和拉伸模拟，测试了织物的各向异性（图2c，d）。结果显示，拉伸变形的各向异性比弯曲变形的各向异性强得多。研究人员分析了不同压力下织物内各颗粒接触数的变化。较高的约束压力会引起更多的颗粒间接触（图3a，b）。进一步将颗粒间接触分为“压缩”和“拉伸”两类，并显示了它们在不同压力下的空间分布（图3c，d）。研究人员观察到两个结果：1）“拉伸”触点包含半周期模式的“压缩”触点簇；2）两个织物层之间的颗粒间接触（在图3c，d中接近h=0）都是压缩接触，这是由于在织物层之间没有互锁所致。研究人员绘制了两种不同约束压力下法向（Fn）和切向接触力（Ft）的相应概率分布（图3e，f）。研究发现，切向力和法向力分布都呈现指数尾部。有趣的是，压缩接触和拉伸接触的分布几乎相同，尤其是当压力较大时（图3f，其中P = 93 kPa）。这一结果表明，在施加的边界条件相同的情况下，传统的凸颗粒材料的力分布模式也适用于非凸颗粒材料，在非凸颗粒材料中也可以存在拉伸接触。为了探索颗粒几何形状与受阻结构机械性能之间的关系，研究人员设计了另外五种3D颗粒几何形状，并构造了相应的互锁织物。利用LS-DEM模型来研究这些织物在三点弯曲测试下的力学响应。对于在不同压力下进行的模拟，计算出每颗粒的平均接触数（Z，压缩接触和拉伸接触之和），以及接受三点弯曲测试的梁的表观弯曲模量(E*)。结果显示，表观弯曲模量随着平均接触数的增加而单调增加（图3g）。此外，研究人员还模拟了由互锁的环形和方形颗粒组成的经典链甲层（由环形或方形颗粒组成）的两层堆叠，结果也遵循前面观察到的幂律标度（图3g）。有趣的是，在相同的压力下，经典链甲层的堆叠具有更高的表观弯曲模量。然而，填充率越高，体积密度越高。通过将微观几何量（Z）与宏观力学性能（E*）联系起来，观察到的幂律标度对于针对不同应用的自适应结构材料的合理设计具有实际意义。通过定制颗粒形状，可以在重量和弯曲模量可调整性之间取得最佳平衡。
图3. 在不同约束压力下通过模拟获得的微观结构信息结构化织物的另一个特点是，在被塞入承重结构之前，它们可以被塑造成不同的几何形状。为了证明这一点，我们手动将织物整成平板形（图4a）和拱形（图4b）并施加压力。由此产生的结构具有机械刚性，能够承受超过自身重量30倍的机械载荷。这种成形能力对于可穿戴应用和可重构结构尤其重要，在可穿戴应用和可重构结构中，织物通常需要符合人体或形成复杂的构造。这些织物还可以作为可调保护层，防止颗粒撞击。通过落锤冲击试验证明了这一特性，将一颗质量为30 g、直径1.27 cm的不锈钢珠落在悬浮织物上，冲击速度为3 m s-1。随着压力的增加，钢珠的侵入深度可以大大减小：从0 kPa下的26 mm（图4c）减小到67 kPa下的4 mm（图4d），减少了6倍以上。这项研究系统地探索了由几何形状精确控制的非凸互锁颗粒组成的结构化织物在阻塞转变过程中的力学行为。由于阻塞转变是一种尺度不变的物理现象，由离散颗粒组成的可重构织物可以在不同的尺度上实现。原则上，添加剂制造的最新进展使得将织物厚度从微米刻度到米刻度成为可能，并且可以使用不同的构成材料，以针对不同的应用。Wang, Y., Li, L., Hofmann, D. et al. Structured fabrics with tunable mechanical properties. Nature 596, 238–243 (2021).DOI：10.1038/s41586-021-03698-7https://doi.org/10.1038/s41586-021-03698-7
