北理工团队在变刚度超材料研究中取得重要进展

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近期，北京理工大学软物质力学团队在力学超材料方面取得重要进展，相关研究成果以“Stability-Enhanced Variable Stiffness Metamaterial with Controllable Force-Transferring Path”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》，并被选为当期卷首论文（Frontispiece）。北京理工大学宇航学院2020级硕士研究生伊继烜为论文第一作者，宇航学院万超副教授与张凯教授为论文共同通讯作者。

工程领域对结构刚度要求日益复杂，使得传统材料难以满足多变的设计需求。在这种背景下，可变刚度材料应运而生。作为可变刚度材料之一，自接触变刚度超材料（Self-contact variable stiffness metamaterials）通过改变其力传递路径，实现了特定的弹性应变能存储模式，进一步实现刚度调节，解决了常见变刚度超材料需要外部驱动或刺激场的不足。然而，由于超材料制造过程中不可避免地存在不规则结构、偏心和缺损等不足，现有的自接触变刚度超材料大多难以稳定地实现预期设计的应变能存储模式，其实际的刚度变化范围受到很大影响。

为了解决这一问题，本研究提出了一种具有偏心单元设计的SVS超材料/超结构，既能实现稳定的刚度变化，又能实现高承载。理论、仿真和实验结果表明：新型的SVS超材料在高、低载荷条件下刚度变化约为110倍；进入高刚度阶段时，其承载能力可达1500 N以上（如图2所示）。

图2 自接触变刚度超材料的偏心设计、传力路径及其增稳机制

进一步，基于该稳定性增强的SVS超材料，可实现对人体关节的定制机械保护（如图3）和远程机械输入信号调节的信息转换功能（如图4）。这些成果为生成更可行的稳定性增强SVS超材料/超结构提供了有益的解决方案，并推动了它们在航空航天、医疗器械和机器人技术等领域的潜在应用。

图3 基于自接触变刚度超材料构建的人体腕关节护具

图4 基于自接触变刚度超材料实现的力学-信息转换功能

该研究得到了国家自然科学基金经费支持。

文章来源：北京理工大学

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