Nature重磅：鎖子甲也可以變得很智能！

【背景介紹】

智能織物是一類可以感知、響應環境刺激來改變其性質、測量以及對外通訊的可穿戴材料。他們的應用領域通常包括醫學監測、可穿戴計算和能量富集等。這類材料一般通過將柔性電子電路（用于感知和計算）、相變材料（用于熱調節）或者光伏材料（用于太陽能富集）集成到傳統織物上而得到。一旦這類織物成功制備，它們都是固定無法變形的。而對于力學性質可調的織物，目前幾乎未見研究報道。這類機械可適應織物能夠對人體產生機械反饋，從而完成關節輔助、觸覺等功能，有望拓展智能織物的應用領域。

【成果簡介】

加州理工學院的Chiara Daraio（通訊作者）團隊通過將三維顆粒（可互鎖的空心八面體）集成到層狀鎖子甲中設計了一種具有可調彎曲系數的新型結構化織物（structured fabrics）。這一新型鎖子甲由尼龍塑料聚合物3D打印而成，可以改造適應復雜的形狀，而一旦進行真空包裝后，其會轉變成剛性結構，這是因為三維顆粒會發生互鎖行為并導致鎖子甲被固定（堵塞轉變，jam）。研究展示了只需很小的外部壓力（93千帕左右），鎖子甲片層就會變得十分堅硬，其硬度比松弛狀態下要高出25倍。作者認為，抗彎強度的極具增加源于互鎖顆粒具有很高的抗拉強度。研究進一步使用離散元模擬來尋找鎖子甲微觀結構與宏觀性質的關系并以此解釋實驗測量現象，發現由非凸（convex）顆粒組成的鎖子甲在經歷堵塞相轉變時可以用特征冪律函數來進行描述。這一工作可推動輕質、可調控織物在可穿戴外骨骼等領域的應用發展。研究成果以題為“Structured fabrics with tunable mechanical properties”發布在國際著名期刊Nature上。

【圖文解讀】

圖一、結構化鎖子甲織物的設計及其原型

（a）單結構化顆粒（左）以及三互鎖顆粒（右）的示意圖；

（b）三維打印鎖子甲；

（c）二層鎖子甲的數值模擬；

（d）柔軟狀態的鎖子甲的數碼圖像；

（e）（c）中顆粒在施加封閉壓力后的構型；

（f）堵塞狀態的鎖子甲的數碼圖像。

圖二、多種封閉壓力（confining pressure）下的彎曲和拉伸測試

（a）不同封閉壓力下織物的力-位移曲線；

（b）表觀彎曲模量與封閉壓力的函數關系；

（c）不同方向拉伸測試示意圖；

（d）沿著多種載荷方向的表觀彎曲和拉伸模量模擬。

圖三、不同封閉壓力下模擬獲得的微結構化信息

（a,b）封閉壓力分別為2 kPa（a）和93kPa（b）下制備的織物的每個顆粒的接觸數顏色分布圖；

（c,d）封閉壓力分別為2 kPa（c）和93kPa（d）下制備的織物的壓縮和拉伸接觸點的空間分布；

（e,f）封閉壓力分別為2 kPa（e）和93kPa（f）下制備的織物的法向和切向接觸力的概率分布；

（g）每顆粒平均接觸數和表觀彈性模量之間的關系。

圖四、形變可重構性、可調的抗沖擊性及其應用

?

（a）織物形成平臺形狀并在載荷為1.5千克時的狀態；

（b）織物形成拱形并在載荷為1.5千克時的狀態；

（c,d）封閉壓力分別為0 kPa（c）和67 kPa（d）下制備的織物的沖擊測試的高速相機照片；

（e）可重構織物在不同尺度下的潛在應用。

【小結】

這一工作系統探索了由非凸互鎖顆粒組成的結構化織物的力學和結構。由于堵塞轉變是一種與尺度無關的物理現象，研究可以在不同尺度下實現可重構織物。因此，結合現有的增材打印技術，這些織物的厚度可在微米到米級范圍進行調控，并且能夠使用不同的組分材料進行打印以此實現不同的應用。更重要的是，通過集成其他壓力封閉方法（如磁學和電學控制方法），未來有望在織物的不同位置編程織物硬度，以適應觸覺接口以及醫療刺激等領域的應用。

文獻鏈接：Structured fabrics with tunable mechanical properties, Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-03698-7.