变形金刚不是梦?科学家制备可重构的力学超材料(图)
在电影里，变形金刚可以从一辆车或一架飞机，摇身一变成为人形机器人。那么，它们为什么要变呢？
事实上，这不仅仅是为了伪装和炫酷，更重要的是为了执行不同的任务。
（来源：Pixabay）
比如想要快速移动时，就要变成车或者飞机；要想跟敌人打斗时，就得变成灵活机动的机器人。
类似的，未来的飞机和智能机器人，为了适应不同的任务和环境，也需要变化外形或者转换性能。
21 世纪初，美国航空航天局就曾构想过，未来的飞机可以像鸟一样，其机翼形状能够随飞行状态而变化，从而在任何场景下都能让飞行性能处于最优状态。
类似的需求场景还有很多。例如，对于未来的多功能机器人来说，人们希望它的身体既可以很柔软、又可以很刚硬，从而让它既能胜任照顾小孩老人的细活，又能担当爬楼搬砖的粗活。
北航团队研究出超快可重构力学超材料，有望用于变体飞行器等领域。
北京航空航天大学潘飞副教授和所在团队，专门研究可用于航空航天、智能装备等领域的材料和结构。近年来，他们瞄准形状可变、性能可调的新型材料和结构，尝试从力学研究者的角度，提出一些潜在可行的解决方案。
图 | 潘飞（来源：潘飞）
力学超材料，是潘飞在研究中的切入点。为何选择力学超材料？
所谓力学超材料，是指通过人为设计材料的微结构（或曰基本单元），来实现一些天然材料无法实现的新奇特性，例如一压就扭的“压扭超材料”。
更为关键的是，通过对基本单元的力学设计，能在完成材料加工之后，对性能进行定制化的调节。
为了实现材料形状和性能的调节，潘飞所在团队主要关注的是以双稳态结构为代表的基本单元。
事实上，生活中有很多这样的双稳态结构，比如发卡、开关、自行车脚架等等。这种单元通常拥有两个稳定的状态，对应着两个不同的形状或性能。
对于这两个稳态来说，无需持续能量输入它们就能自动维持在某一种状态，并能在一定的外部激励下，反复进行相互切换。由此可见这是一种典型的低功耗方案，只在调节形状和性能的时候耗能，而维持所需的状态时不耗能。
利用这些双稳态结构，潘飞等人致力于让力学超材料的形状和性能，能够做到变化大、变化多、变化准、变化快。
“变化大”，即不同状态的形状或性能有足够大的差异，“变化多”，即需要一个极大的可调节空间，“变化准”是在面对任意目标时都得能够进行精准调节，能够“指哪打哪”，“变化快”就是调节的速度必须要快。
在最近一项研究工作中，针对“变化大”和“变化快”的问题，该课题组取得了一定进展，即让材料在两个形状差异较大的状态之间进行切换，并实现了较快的切换速度。
具体来说，他们设计出了一种超快可重构的力学超材料，其中二维和三维的超材料，能分别达到 25.38 倍面积/秒，以及 101.14 倍体积/秒的变化率。
（来源：Advanced Functional Materials）
利用奇异大变形的双稳态单元，该团队实现了超材料形状的快速重构，为超材料变形速度的提高提供了新思路。
预计在快速变形机器人、变体飞行器等领域，上述材料具备一定的潜在应用前景。
不过潘飞坦言：“如果要用到具体的场景上，还有一些问题需要解决，比如如何实现自动快速的展开，只有这样才能实现真正的‘想怎么变就怎么变’。”
日前，相关论文以《基于预应力双稳态壳的超快形状可重构手性力学超材料》（Ultrafast Shape-Reconfigurable Chiral Mechanical Metamaterial based on Prestressed Bistable Shells）为题发在 Advanced Functional Materials 上 [1]，博士生刘易哲是第一作者，潘飞和北航陈玉丽教授担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）
童年玩具“啪啪圈”带来一篇顶刊论文
本次工作的立项来源可谓十分偶然，它受到了一款童年玩具“啪啪圈”的启发。
潘飞说：“有一次在逛玩具店的时候，我意外发现了这种玩具。它具有两个稳定的形状，一个是平坦展开的形状，一个是卷成一个圈的形状，这正是一个典型的双稳态结构。”
“啪”地一声，它就能以极快的速度从平坦状态卷在手腕上。这么快的响应速度和这么大的变形幅度，让潘飞觉得很有研究价值。
（来源：Advanced Functional Materials）
回到课题组，他便带着师弟开始琢磨：这么简单的玩具是如何实现双稳态和快速切换的？它的这些特点是否能帮助他们解决超材料“变化大”和“变化快”的问题？
于是，他们从网上买来一些啪啪圈，把它们剪开之后，发现里面有一段从钢圈尺上截下来的金属片，甚至连钢圈尺上的刻度都还在。
但是钢圈尺是没有双稳态的。“这下我们更加好奇了，于是开始查找关于啪啪圈生产制造的资料，同时也查阅相关的文献。很快，我们就找到了一些论文，也找到了一个啪啪圈加工视频。”潘飞说。
按照这些资料的介绍，只需要把钢卷尺沿着两个方向使劲弯一弯，就可以变成啪啪圈。为了验证这一点，他们把当时实验室里唯一的一把钢卷尺剪了。
潘飞说：“文献和视频果然没有骗我们，而且生产啪啪圈和钢圈尺的厂商可能是同一家。”
接下来，他们仔细阅读文献，弄清楚了金属片双稳态的来源。从学术角度来讲，啪啪圈应该叫预应力金属壳，更严谨地讲应该叫非欧几里得壳。
简单来说，正是由于“使劲弯一弯”引起的塑性变形，导致钢圈尺里留下了一定的残余应力，从而改变了内部的应力平衡，让其在不受外部约束和载荷的情况下，仍然具有两个平衡稳定构型。
而以上过程，只能算是研究团队和跟本次课题的“初次见面”。历时许久，直到超材料构型确定下来，才算课题真正确定下来。
为什么间隔这么久才开始立项？主要是因为一般的结构构筑方式，并不适用于这种结构。
以弹簧等其他轴向伸长缩短的基本单元为例，利用井字格排列等简单方法就能把超材料构造出来。
但是，啪啪圈的不同之处在于，它是从一个长片卷起来的。卷起来的过程中，它自己和自己还会有接触，只有这样才能确保它的一头会被包在卷内部。
而如果按照常规的构造方式，根本不能把它们组合起来。就算在长片构型下强行组合起来，卷起来的时候也会“打架”，从而生成一种根本无法被协调的变形。
如何解决构造的问题，让这个课题一直停滞不前。后来， 潘飞在另一个课题里做手性蜂窝结构的时候，偶然发现了一种有效的构筑方式。
他说：“我发现啪啪圈的这种卷起来的变形，居然跟手性蜂窝是协调的！只需要在收缩的时候，让它们都卷在手性蜂窝的圆柱形中心上就行。”
这一转折点过后，课题很快得以立项。随后，他们结合手性蜂窝和预应力壳，设计出一系列的二维和三维超材料，让初步概念和思路得以形成。
（来源：Advanced Functional Materials）
在设计完成之后，他们并不确定所设计的超材料，能否实现预期功能。为了验证该设计概念，很快教研室里的一间小办公室变成了加工车间。给啪啪圈和亚克力柱打孔的电钻声响彻了整个屋子。
这两种东西都不是很好打孔，不是太硬就是太滑。潘飞说：“尽管第一个样本只有‘八个孔’，但是我们打了很久，可以说是特别的‘费师弟’。”
关键是，孔打好了还不一定能用，因为有可能拧不进去螺丝。就算把螺丝拧进去了，还非常容易松动。
“后来，我们终于完成了第一件‘千疮百孔’的样品。直到现在，我都依然记得师弟把样品拿过来的神情，就像是‘带丑媳妇见公婆’那种又高兴又嫌弃的样子。
其实就在那一刻，当一个构想真实地握在手里时，一种获得感油然而生。虽然这一版还很粗糙，但是当看到心心念念了这么久的构型终于实现了，还是非常欣喜的。”潘飞说。
组装出对应的结构之后，他们开始进行测试，结果证明这种设计思路是可行的。
接着，他们通过有限元仿真，对该结构的基本特征进行定性和定量分析，借此也加深了对于预应力壳和超快超材料的理解。
而在前人研究的基础上，他们还想知道这种超材料速度变快的背后机理。
于是，结合实验观察和有限元仿真，课题组建立了预应力壳收缩的动力学模型，从而实现收缩速度的有效计算，也让他们可以更方便地进行参数研究，进而指导加工工艺的进行。
之后，又对预应力壳和超材料的静力学和动力学特征进行实验性描述，并完成了演示样品的制作以及应用 demo 的展示。
（来源：Advanced Functional Materials）
从本科生到教师的 14 年北航人，已经集齐 5 张“一卡通”。
“除了这个工作以外，我们也曾利用从吸管和积木中获取的灵感，提出了‘三维像素力学超材料’，以及基于定制力学性能的‘修楼梯’可视化策略。”潘飞说。
都说“艺术源于生活”，科学又何尝不是呢？啪啪圈、吸管和积木，都是生活中的小物件，但却蕴含着大智慧。
潘飞表示：“我是一个对生活常见事物比较有好奇心的人，虽然并非所有的好奇心都能催化出来科研成果，但是我自己很喜欢这个钻研的过程。”
对于本项工作的后续研究，他打算采取“三步走”的路线：
一是把现在的单元做小，让它看起来更像一个材料而不只是一个结构。关于此，主要面临的挑战是如何在小型化结构中，实现预应力的精准布置。
二是目前该结构仅能实现从展开状态到收缩状态的快速变化，如何通过外部环境的激励，让其展开过程也可以变得更快也是希望解决的挑战。
三是希望结合智能材料带来更多应用前景，从而让它在合适的应用场景发挥实际作用，解决实际问题。
另据悉，2023 年是潘飞来到北航的第十四年。从本科到现在他一直都在这里，目前已经集齐本科、硕士、博士、博士后和教工等五张“一卡通”。
他说：“我很感恩和热爱在北航，我的几位导师促成了我从学生到老师的转变，我很幸运能遇到这么多的良师益友，他们是我在科研和教学路上的灯塔。”
大三时，他来到北航陈玉丽教授课题组参加科研训练并一直在此攻读博士学位。后来在读博期间，又来到国家纳米科学中心施兴华研究员课题组参与联培。博士毕业之后，潘飞加入北航文力教授的软体机器人实验室做博士后。
“总之，在各位老师和朋辈的帮助下，我总能不断汲取新养分，做自己喜欢做的事，同时也努力地向他们看齐。”潘飞说。
参考资料：
1.Liu, Y., Pan, F., Xiong, F., Wei, Y., Ruan, Y., Ding, B., ... & Chen, Y. (2023). Ultrafast Shape‐Reconfigurable Chiral Mechanical Metamaterial based on Prestressed Bistable Shells. Advanced Functional Materials, 2300433.
